功率LED熱設(shè)計關(guān)鍵之如何針對熱阻進行熱管理
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行驅(qū)動的,當 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。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/187526.htmLED 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,不同的熱標準機構(gòu)也已經(jīng)開始進行LED熱管理的相關(guān)標準制定工作?,F(xiàn)今,JEDEC JC15協(xié)會正在起草一部關(guān)于LED熱阻測量的新標準。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 標準自然對流測試環(huán)境中的一個改進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導熱路徑上的詳細結(jié)構(gòu)信息,這里所指的導熱路徑主要是指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)用熱測試標準[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)標準[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熱界面材料。當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。
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