功率LED熱設(shè)計關(guān)鍵之如何針對熱阻進(jìn)行熱管理

眾所周知，LED的發(fā)光特性與其工作條件有很大關(guān)系。應(yīng)用在LED上的前向電流是主要的影響因素，電流越高，LED產(chǎn)生的光通量也越多。令人感到遺憾的是，LED是由一個恒定的電流源進(jìn)行驅(qū)動的，當(dāng) LED的溫度上升時，它的光輸出也會急劇下降。圖1所示的是常見的 LED 基本參數(shù)對于輸出光譜的影響。此外，本圖也說明了 LED的效率和發(fā)光顏色也會在峰值波長處發(fā)生偏移。

　　LED 熱特性的重要性

　由于 LED 的光輸出會隨著溫度發(fā)生變化， 所以良好的熱管理是功率LED照明應(yīng)用的一個重要問題。通過降低LED的溫度，我們可以使其保持較高的效率。在實際的應(yīng)用環(huán)境中，LED溫度越低，其輸出的流明也越多。

　　這就意味著在LED在實際應(yīng)用中， 其結(jié)點至環(huán)境的真實熱阻是LED照明設(shè)計的一個重要因素。令人感到遺憾的是，不同LED供應(yīng)商提供的產(chǎn)品熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù)五花八門。因此，不同的熱標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也已經(jīng)開始進(jìn)行LED熱管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作?，F(xiàn)今，JEDEC JC15協(xié)會正在起草一部關(guān)于LED熱阻測量的新標(biāo)準(zhǔn)。此外，國際照明協(xié)會（International Lighting Committee）成立了兩個新的技術(shù)協(xié)會（TC-2-63 和 TC-2-64），以處理LED熱方面的問題。在這些協(xié)會之間逐漸達(dá)成了一個共識，那就是供應(yīng)商在采用公式1計算LED熱阻時， 必須考慮實際的光功率Popt （換而言之， 輻射光通量） ：

　　公式中 LED前向電流和前向電壓（IFxVF）的乘積是LED工作所需要的電功率，Tj是 LED的結(jié)溫變化量。

　　當(dāng)確定 LED熱阻的時候忽略光功率會得到比 LED實際應(yīng)用更低的熱阻。如果 LED照明設(shè)計師使用這些數(shù)據(jù)去計算 LED燈的光輸出量，其結(jié)果是他們的設(shè)計往往無法滿足實際的光輸出量的要求。實際情況中的熱阻會更高，相應(yīng)地LED結(jié)溫也會更高。由此，實際 LED 照明設(shè)備發(fā)出的光通量會比預(yù)期要低。 獲取 LED實際的熱特性數(shù)據(jù)是成功設(shè)計LED的關(guān)鍵。

　　熱特性：仿真和物理測試

　　熱仿真可以幫助設(shè)計師了解他們LED產(chǎn)品的散熱狀況。 因為 LED 光源發(fā)出的熱量一般都通過自然對流的方式進(jìn)入到周圍環(huán)境中，CFD分析工具是用以確定不同設(shè)計方案散熱性能所必須的。

　　圖 2顯示了在 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)自然對流測試環(huán)境中的一個改進(jìn)MR16 LED燈的熱仿真結(jié)果。

　　為了建立精確的熱仿真模型，所以必須確定實際應(yīng)用中的LED熱阻值。實際應(yīng)用中的LED熱阻值通?？梢杂?Tr3ster 等測量儀器完成。 Tr3ster 是 Mentor Graphics MicReD團(tuán)隊開發(fā)的產(chǎn)品。圖3 是圖 2中 LED熱測試所使用的測試設(shè)備。

　　圖 4是由 Tr3ster 熱瞬態(tài)測試儀測量得到的LED結(jié)溫和 Zth的關(guān)系曲線。這個測試結(jié)果可以被用于獲得LED導(dǎo)熱路徑上的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息，這里所指的導(dǎo)熱路徑主要是指LED的 PN 結(jié)至環(huán)境之間的熱量傳遞路徑。這些詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息以熱阻和熱容的關(guān)系曲線形式描述。這類曲線也被稱之為結(jié)構(gòu)函數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)可以幫助設(shè)計師確定整個LED散熱設(shè)計的每一部分的熱阻，其中包括了 LED 結(jié)點，TIM，散熱器或者照明設(shè)備。

　　圖 5顯示了整個LED 照片設(shè)備中結(jié)點至環(huán)境總熱阻的 50%是由于LED自身所引起的。結(jié)構(gòu)函數(shù)不僅僅能幫助結(jié)構(gòu)分析（例如，die attach失效探測） ，而且可以幫助生成封裝元件動態(tài)的簡化熱模型。這類簡化模型可以直接被 CFD軟件所使用。 （一些半導(dǎo)體供應(yīng)商也已經(jīng)開始提供它們產(chǎn)品熱性能的瞬態(tài)模型）

　　熱和光度聯(lián)合測量

　　圖 4和圖 5提供了一些對于解釋非常有用的對比結(jié)果，而且對于實際的設(shè)計工作而言，熱特性數(shù)據(jù)是必須的。所以，當(dāng)計算實際的熱阻值時，必須清楚地了解 LED的光功率。

　　為了獲得這方面的信息，一個熱測試設(shè)備（符合應(yīng)用熱測試標(biāo)準(zhǔn)［3］）必須具備測試LED光功率的功能。LED光功率測試必須遵從 CIE協(xié)會的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［4］。圖 6是這樣一個測試系統(tǒng)的描述。Tr3ster 熱測試儀器對處于TERALED系統(tǒng)中的被測試 LED提供一個電功率，TERALED 是一個由累計球和探測器組成的自動光度測量裝置。另外，整個系統(tǒng)中還包括電控制和測試數(shù)據(jù)處理軟件。LED 助推器（圖 6左邊的小盒子）讓系統(tǒng)測試多芯片高前向電壓（VF》10V）的LED。

　　通過 Tr3ster 對 LED進(jìn)行測量， 我們可以在獲得 LED熱阻的同時， 也獲得輻射通量，光通量，光輸出特性，染色性等數(shù)據(jù)。我們可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，測量這些 LED特性值。 在光度測量過程中加入熱瞬態(tài)測試不會明顯增加測試時間。如今功率LED在被貼附到冷板之后，通?？梢栽?30~60S 之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的溫度。所以，光度測量過程中包含熱瞬態(tài)測試不會增加許多測試時間。

　　參考溫度的影響

　　比較棘手的是，LED 總的熱阻值與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系。這就意味著當(dāng)預(yù)測 LED散熱性能時，必須注明測試環(huán)境（參考溫度） 。如果光度測量和熱阻測量同時進(jìn)行，則參考溫度就是冷板的溫度。

　　LED說明書中的數(shù)據(jù)是基于環(huán)境溫度25oC，但往往 LED的實際工作環(huán)境溫度為50oC，最高甚至可以達(dá)到 80oC。其結(jié)溫的范圍可能在80oC~110oC的范圍。較高的 LED工作溫度會導(dǎo)致LED 光通量的大幅下降。

　　圖 7顯示了 Cree MCE系列白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系，這些測試主要基于兩種不同的散熱設(shè)計方案。測試主要由兩塊不同的 PCB，一個金屬芯片和 FR4裝置所組成。此外，PCB和散熱器之間使用了不同的導(dǎo)熱界面材料。當(dāng)散熱器溫度不斷增加，光通量不斷下降。

　　因為兩次測試使用一樣的LED，所以預(yù)計的測試結(jié)果是兩條平行的曲線，但實際情況并非如此?？偟慕Y(jié)點至環(huán)境的熱阻也隨著參考溫度的變化而變化。圖8的結(jié)構(gòu)函數(shù)也表明熱流路徑隨溫度變化。其中最初的1.5K/W的熱阻是有 LED 內(nèi)部封裝所引起的。之后的熱阻部分對應(yīng)于PCB和位于PCB與LED封裝之間的TIM材料。 最后一部分是PCB與散熱器之間的導(dǎo)熱界面材料。在TG2500 樣品的測試中，兩層 TIM 材料都顯示出其熱阻與溫度有很大關(guān)系， 從而導(dǎo)致了總熱阻有20%的變化。 圖8中的結(jié)構(gòu)函數(shù)被對應(yīng)到LED的各個組成部分。

　　光通量是真實結(jié)溫的函數(shù)

　　一旦獲得了 LED每一個參考溫度下的熱損耗和參考溫度值，通過公式 2可以計算出實際 LED 結(jié)溫：

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是測量的熱阻值。如果將圖 7中的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，將光通量作為 LED 結(jié)溫的函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)兩種測試的結(jié)果幾乎一致（如圖9所示） 。兩條幾乎重合的光通量和結(jié)溫的曲線表明，在我們兩種測試中 LED芯片和其封裝有著一樣的光輸出特性。

　　其中，Pheat=IFxVF（Tref）-Popt（Tref）也是公式 1中使用的，RthJA是測量的熱阻值。如果將圖 7中的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理，將光通量作為 LED 結(jié)溫的函數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)兩種測試的結(jié)果幾乎一致（如圖9所示） 。兩條幾乎重合的光通量和結(jié)溫的曲線表明，在我們兩種測試中 LED芯片和其封裝有著一樣的光輸出特性。

　　結(jié)論

　　溫度是 LED照明設(shè)備性能的一個重要影響因素，不僅僅影響其預(yù)期工作壽命而且決定其工作性能。更低的工作溫度可以獲得更多的光通量。由于絕大多數(shù)的LED 供應(yīng)商沒有將 LED 熱阻測試和光度測試同時進(jìn)行。所以，如今的 LED說明書中無法提供 LED 真實的熱阻值。因此，LED供應(yīng)商提供的熱阻值要比 LED 實際應(yīng)用中的熱阻值要低。如果想要通過 CFD仿真的方式獲得 LED的熱性能，那么知道 LED的真實熱阻值是必須的。如果沒有這方面的信息，那么結(jié)合光度測量和熱瞬態(tài)測試，并且再進(jìn)行一些測試數(shù)據(jù)處理就可以獲得熱阻的相關(guān)信息。

　　很少有 LED說明書會注明各種溫度下光輸出特性。 通過確定測試中 LED的熱阻和熱損耗，可以將光輸出特性描述成真實結(jié)溫的函數(shù)。這就可以消除測試過程中不同環(huán)境溫度對于實際熱阻的影響。當(dāng)光輸出特性可以與實際的結(jié)溫相對應(yīng)，那么精確地比較不同的 LED照明設(shè)備也就成為可能。