簡(jiǎn)析LED照明在實(shí)際應(yīng)用中的熱特性

引言

　　每個(gè)設(shè)計(jì)師只有清楚地了解LED內(nèi)部從PN結(jié)到環(huán)境的熱特性，才能確保得到一個(gè)安全，可靠的設(shè)計(jì)和令人滿意的性能。

　　在熱流路徑中可能有裸芯片或膠層等多個(gè)導(dǎo)熱界面，并且它們的厚度和熱阻很難在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制。此外，在LED封裝和作為散熱器的照明設(shè)備外殼之間的導(dǎo)熱界面進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性。必須在樣機(jī)階段盡可能早地了解LED的熱阻值。

　　1 電流、顏色和效能

　　LED的光輸出特性主要取決于其工作條件。前向電流增加會(huì)使LED產(chǎn)生更多的光。但當(dāng)前向電流保持不變，光輸出會(huì)隨著LED的溫度升高而下降。圖1描述了溫度，電流和光輸出的關(guān)系。并且描述了一個(gè)LED相關(guān)的顏色光譜在峰值波長(zhǎng)處的偏移。用于普通照明的單色LED，藍(lán)色光譜的峰值會(huì)發(fā)生偏移，因此改變了LED所謂的色溫。這會(huì)對(duì)LED照明空間內(nèi)的感官產(chǎn)生影響。

圖1 電流和溫度依賴于一個(gè)LED光輸出中光譜強(qiáng)度分布

像很多其它產(chǎn)品一樣，照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)度量參數(shù)效能有密切關(guān)系，它是一個(gè)關(guān)于有用性的評(píng)價(jià)指數(shù)，可感知的光除以提供的電功率的比值。效能被用于評(píng)估不同光源的優(yōu)劣。不幸的是LED的效能會(huì)隨著LED結(jié)溫的增加而下降。預(yù)測(cè)LED的輸出光通量是照明設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)LED燈大約50%的結(jié)點(diǎn)至環(huán)境的熱阻由LED封裝所引起。

圖2 功率LED的典型熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)

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(shí)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(huì)比實(shí)際熱阻值要低。如果實(shí)際的熱阻值更高，則相應(yīng)的LED結(jié)溫也會(huì)更高，從而造成發(fā)出的光通量不夠。所以，了解真實(shí)的LED熱特性參數(shù)是非常重要的。

　　2 測(cè)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(gè)測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件必須滿足一定的要求。例如MentorGraphics的MicReD商業(yè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)就是滿足此類要求的典型設(shè)備。