簡析LED照明在實際應(yīng)用中的熱特性
圖5 LED和光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
函數(shù)從測試到模型結(jié)構(gòu)函數(shù)幫助工程師評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。
3 從測試到模型
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。
圖6 簡約模型
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。
4 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。
5 溫度:參考,周圍的,環(huán)境…
熱管理解決方案的結(jié)點(diǎn)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)時有很大的自由度。通常環(huán)境方面的信息不會得到重視。關(guān)于產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)可能是照明設(shè)備處于最佳照明時得到的,可以說忽略了真實工作條件下的一些影響。例如,通常供應(yīng)商提供的LED數(shù)據(jù)是在25oC的環(huán)境溫度條件下,即便LED安裝在燈具中之后其安裝面的溫度為50oC,甚至80oC。在工作狀態(tài)下,實際的LED結(jié)溫可能處于80~100oC的范圍,從而引起光通量的急劇下降。
在圖7a中顯示了兩個同一廠商的兩個白色LED光通量和參考溫度的關(guān)系,這兩個LED具有不同的散熱方式。散熱方式1使用了一塊金屬的PCB板,而散熱方式2使用了傳統(tǒng)的FR4板。此外,兩個LED樣品的PCB板和散熱器之間使用了不同的導(dǎo)熱界面材料。
得到光通量和參考溫度的測試方法非常簡單。測試時冷板直接影響LED的結(jié)溫。因此,通過改變冷板的溫度,可以觀察結(jié)溫變化對于光通量的影響。
圖7a中的兩個LED曲線并不完全平行。因為測試是基于同一類型的LED,所以人們可能希望兩個LED的性能是一致的。然而,請注意光通量和參考溫度的曲線圖。采用的導(dǎo)熱界面材料有著不同的溫度影響,從而對LED結(jié)溫產(chǎn)生不同的影響。不同冷板溫度下的結(jié)構(gòu)函數(shù)可以進(jìn)一步揭示這些影響的程度和產(chǎn)生位置。
很多的測試工作都是關(guān)于確定加熱功耗和每一個參考溫度下的熱阻值。如果具有這些信息,就可以計算相應(yīng)的LED結(jié)溫值。如果沒有進(jìn)一步的測試要求。工程師可以使用之前的信息,重新繪制LED結(jié)溫與光通量之間的關(guān)系。
基于真實的LED結(jié)溫,重新繪制曲線將消除光通量曲線斜率的偏差。圖7b描述了一組光通量和結(jié)溫的曲線,并且這里的真實結(jié)溫通過真實的加熱功率和真實的熱阻進(jìn)行計算得到?,F(xiàn)在對于同一供應(yīng)商的所有LED樣品,由前向電流值獲得的特性斜率是一致的。
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