實際應(yīng)用中LED熱特性關(guān)鍵性能探討
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像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統(tǒng)設(shè)計時也要權(quán)衡成本和性能。功率分配及因此產(chǎn)生的散熱需求很大程度上是由LED的能量轉(zhuǎn)換效率所決定。其定義為發(fā)出的光能和輸入電功率的比值。能效值與另一個度量參數(shù)效能有密切關(guān)系，它是一個關(guān)于有用性的價指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于估不同光源的優(yōu)劣。不幸的是LED的效能會隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測LED的輸出光通量是照明設(shè)計的最終目標(biāo)。提供有效散熱的熱管理解決方案可以在LED實際應(yīng)用中產(chǎn)生更多一致顏色的光通量。
熱量從LED封裝芯片開始傳遞，相關(guān)的數(shù)據(jù)由供應(yīng)商提供。圖2 中顯示的是常見的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。一個LED燈大約50%的結(jié)點至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。 
傳統(tǒng)的LED標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步地完善。相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在起草，但LED供應(yīng)商仍然以不同方式定義它們產(chǎn)品的熱阻和其它與溫度相關(guān)的特性參數(shù)。例如，當(dāng)確定LED熱阻時忽略了作為條件變量的輻射光功率，那么得到的熱阻值將會比實際熱阻值要低。如果實際的熱阻值更高，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以，了解真實的LED熱特性參數(shù)是非常重要的。 測量：溫度比光通量更重要 假設(shè)LED的溫度與其兩端的前向電壓降成線性關(guān)系。因此，通過觀察電壓降可以精確地推算出溫度的變化。為了很好地進(jìn)行這個測試，測試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求。 例如Mentor Graphics的MicReD商業(yè)自動化測試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。 
圖3描繪了此類測量裝置的簡圖（不成比例）。測量的第一步是確定前向電壓在一個非常小的電流下的溫度敏感性，這個小電流可以是傳感器或測量電流。之后，LED被施加一個大電流，從而使其變熱。接著停止施加大電流，并且很小的傳感器電流再次出現(xiàn)，同時用一個高采樣率完成前向電壓的測量，直至LED結(jié)溫完全趨于穩(wěn)定。由于LED快速的熱響應(yīng)，所以測量的硬件設(shè)備必須能夠捕捉LED電流停止施加后幾微秒內(nèi)的溫度（電壓）改變。如圖3所示，被測量的LED處于一個封閉空間內(nèi)，這個封閉空間是JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的自然對流腔，它提供了一個沒有氣流流通的環(huán)境。T3STer也可以提供類似的裝置。表格1歸納了測試步驟。
在電子行業(yè)，術(shù)語“Z”代表阻抗，在我們的例子中代表熱阻抗。在熱阻抗的曲線中，其表示溫差除以熱功耗的值。因此，圖4中的Z曲線表述了對于1W熱功耗的溫度改變。 
熱阻抗曲線Zth總體來看比較平滑，但局部還是有波動，工程師需要解釋其中的原因。而且它是由大量密集的數(shù)據(jù)點所構(gòu)成，所以潛在的信息非常豐富。集成先進(jìn)應(yīng)用數(shù)學(xué)且功能強大的熱測試系統(tǒng)可以提供非常有用的Zth 和時間曲線的分析變換。
Zth曲線圖中的數(shù)據(jù)使計算熱容和熱阻的總體曲線圖成為可能，也就是著名的結(jié)構(gòu)函數(shù)。它是結(jié)點至環(huán)境熱流路徑中熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的圖形表示形式。結(jié)構(gòu)函數(shù)的形式與實際結(jié)點至環(huán)境熱流路徑保持一一對應(yīng)的關(guān)系。元件的結(jié)點始終在圖形的原點。圖5中的圖形就描述了這一概念。 
在LED元件中，由半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量從它的自身開始傳遞。結(jié)點被加熱，之后熱量通過許多熱阻，同時加熱熱流路徑上的物體。事實上，熱量通過的熱阻越多，更多的熱容被加熱。
在圖5中，最初的曲線非常陡峭，同時熱容被加熱。這個曲線進(jìn)行了注解，描述了LED/MCPCB，封固劑（導(dǎo)熱硅脂）和照明設(shè)備三個階段。但在第一個階段內(nèi)，曲線描述了更小的一些階段，譬如Die attach，散熱板，甚至是緊固銅散熱板和MCPCB的膠水。注意這個圖形證實了早期的一個論點，那就是LED自身的熱阻占整個系統(tǒng)結(jié)點至環(huán)境熱阻的50%。
再次查看圖3，注意測量的僅僅是LED元件兩端的電壓。系統(tǒng)是如何得到了整個照明設(shè)備的熱數(shù)據(jù)呢？答案就是監(jiān)控和觀察溫度的下降曲線。
當(dāng)LED Die的溫度開始下降，由于只有一個對其溫度有影響的物體直接連接著它，它的溫度下降緩慢。Die 溫度下降所需要的時間主要取決于熱容，它可以存儲熱量。測試系統(tǒng)監(jiān)控溫度微小的改變，并且將其變換為熱阻/熱容數(shù)據(jù)點，如果具有一樣的特性則會看到類似的曲線。所以對測試系統(tǒng)的靈敏度有很高的要求。 從測試到模型 結(jié)構(gòu)函數(shù)幫助工程師估整個散熱路徑中的各個部分。重要的是它們可以幫助揭示設(shè)計中存在的問題，這些問題可能影響設(shè)備的生產(chǎn)或可靠性。
結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成簡化模型，也就是一個包含熱阻熱容的等效網(wǎng)絡(luò)，它包含了結(jié)構(gòu)函數(shù)圖形中所包含的所有數(shù)值。圖6描述了類似功率LED等半導(dǎo)體元件的一個通用模型。當(dāng)然，實際的模型中R和C會有具體的數(shù)值。 
借助瞬態(tài)熱測試得到的R/C網(wǎng)絡(luò)模型可以直接被用于熱設(shè)計工具中，在這些熱設(shè)計工具中對LED系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真。為了滿足市場對于它們產(chǎn)品更多熱性能數(shù)據(jù)的要求，一些半導(dǎo)體供應(yīng)商開始使用瞬態(tài)模型去描述它們功率開關(guān)和類似產(chǎn)品的熱性能，這也為LED供應(yīng)商在將來也遵從這種做法提供了借鑒。 光度測量揭示LED的真實顏色 先前所有的努力使照明設(shè)備達(dá)到投放到市場的端口。然而，此時必須回答一個重要的問題：當(dāng)照明設(shè)備工作在它規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，它預(yù)期發(fā)出多少光？在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前，必須提供樣機(jī)完整的光度和輻射特性。在現(xiàn)在自動化工具的幫助下，熱和光測量可以被同時進(jìn)行。
為了同時進(jìn)行測量，之前已經(jīng)解釋了熱測試必須與一個子系統(tǒng)相結(jié)合，這個子系統(tǒng)是滿足CIE1要求（參見備注）的條件下，用于測試LED光輸出。這個子系統(tǒng)包含了一個恒溫器（類似冷板）和探測器。兩個器件由特定的軟件進(jìn)行控制。一個完全整合的熱/輻射/光度測試系統(tǒng)可以描述照明設(shè)備的熱阻和光輸出特性，包括了輻射熱流（也就是輸出光功率），光通量和染色性。這些值可以在不同的參考溫度和前向電流條件下，同時得到測量。
重要的是，對于普通循環(huán)光度測試增加熱瞬態(tài)測試不會明顯增加測試時間。這是因為貼附到冷板的功率LED結(jié)溫通常在30~60S之內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。LED熱阻測試之前的加熱過程，是一個相類似的過程。因此，加上熱測試的測試時間與僅僅光輸出測試的時間是一樣的；所有的這些特性必須在LED熱穩(wěn)定的條件下測量。
溫度：參考，周圍的，環(huán)境… 熱管理解決方案的結(jié)點至環(huán)境的熱阻很容易受到環(huán)境溫度的影響，從而使測試結(jié)果失真。因此當(dāng)預(yù)測照明設(shè)備熱性能時，測試環(huán)境溫度也就是參考溫度必須注明。但熱和光度/輻射測量被同時完成時，參考溫度就是冷板的溫度。 
正如之前的解釋，LED特性的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作還在進(jìn)行，這也意味著供應(yīng)商在描述它們產(chǎn)品和提供相關(guān)數(shù)據(jù)時有很大
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