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功率LED热设计时如何考虑其真实的热阻

发布时间:2020-07-21 19:01:59 阅读: 来源:硅酸铝厂家

众所周知,led的发光特性与其工作条件有很大关系。应用在LED上的前向电流是主要的影响因素,电流越高,LED产生的光通量也越多。令人感到遗憾的是,LED是由一个恒定的电流源进行驱动的,当LED的温度上升时,它的光输出也会急剧下降。图1所示的是常见的LED基本参数对于输出光谱的影响。此外,本图也说明了LED的效率和发光颜色也会在峰值波长处发生偏移。

图1:电流和温度对红色LED输出光谱的影响(点击图片放大)

LED热特性的重要性

由于LED的光输出会随着温度发生变化,所以良好的热管理是功率LED照明应用的一个重要问题。通过降低LED的温度,我们可以使其保持较高的效率。在实际的应用环境中,LED温度越低,其输出的流明也越多。

这就意味着在LED在实际应用中,其结点至环境的真实热阻是LED照明设计的一个重要因素。令人感到遗憾的是,不同LED供应商提供的产品热阻和其它与温度相关的特性参数五花八门。因此,不同的热标准机构也已经开始进行LED热管理的相关标准制定工作。现今,JEDECJC15协会正在起草一部关于LED热阻测量的新标准。此外,国际照明协会(International Lighting Committee)成立了两个新的技术协会(TC-2-63和TC-2-64),以处理LED热方面的问题。在这些协会之间逐渐达成了一个共识,那就是供应商在采用公式1计算LED热阻时,必须考虑实际的光功率Popt(换而言之,辐射光通量):

公式中LED前向电流和前向电压(IFxVF)的乘积是LED工作所需要的电功率,ΔTj是LED的结温变化量。

当确定LED热阻的时候忽略光功率会得到比LED实际应用更低的热阻。如果LED照明设计师使用这些数据去计算LED灯的光输出量,其结果是他们的设计往往无法满足实际的光输出量的要求。实际情况中的热阻会更高,相应地LED结温也会更高。由此,实际LED照明设备发出的光通量会比预期要低。获取LED实际的热特性数据是成功设计LED的关键。 热特性:仿真和物理测试

热仿真可以帮助设计师了解他们LED产品的散热状况。因为LED光源发出的热量一般都通过自然对流的方式进入到周围环境中,CFD分析工具是用以确定不同设计方案散热性能所必须的。

图2:使用FloEFD对改进的MR16进行CFD分析(点击图片放大)

图2显示了在JEDEC标准自然对流测试环境中的一个改进MR16LED灯的热仿真结果。

图3:使用Tr3ster对改进的MR16进行测试(点击图片放大)

为了建立精确的热仿真模型,所以必须确定实际应用中的LED热阻值。实际应用中的LED热阻值通常可以由Tr3ster等测量仪器完成。Tr3ster是Mentor Graphics MicReD团队开发的产品。图3是图2中LED热测试所使用的测试设备。

图4是由Tr3ster热瞬态测试仪测量得到的LED结温和Zth的关系曲线。这个测试结果可以被用于获得LED导热路径上的详细结构信息,这里所指的导热路径主要是指LED的PN结至环境之间的热量传递路径。这些详细的结构信息以热阻和热容的关系曲线形式描述。这类曲线也被称之为结构函数。结构函数可以帮助设计师确定整个LED散热设计的每一部分的热阻,其中包括了LED结点,TIM,散热器或者照明设备。

图4:自然对流环境条件下使用两种不同插槽改进的MR16热阻抗曲线(点击图片放大)

图5显示了整个LED照片设备中结点至环境总热阻的50%是由于LED自身所引起的。结构函数不仅仅能帮助结构分析(例如,dieattach失效探测),而且可以帮助生成封装元件动态的简化热模型。这类简化模型可以直接被CFD软件所使用。(一些半导体供应商也已经开始提供它们产品热性能的瞬态模型)

图5:改进的MR16中各部分在总热阻的影响和结构函数(点击图片放大)

图6:功率LED热和光同时测量

热和光度联合测量

图4和图5提供了一些对于解释非常有用的对比结果,而且对于实际的设计工作而言,热特性数据是必须的。所以,当计算实际的热阻值时,必须清楚地了解LED的光功率。

为了获得这方面的信息,一个热测试设备(符合应用热测试标准[3])必须具备测试LED光功率的功能。LED光功率测试必须遵从CIE协会的相关标准[4]。图6是这样一个测试系统的描述。Tr3ster热测试仪器对处于TERALED系统中的被测试LED提供一个电功率,TERA LED是一个由累计球和探测器组成的自动光度测量装置。另外,整个系统中还包括电控制和测试数据处理软件。LED助推器(图6左边的小盒子)让系统测试多芯片高前向电压(VF>10V)的LED。

通过Tr3ster对LED进行测量,我们可以在获得LED热阻的同时,也获得辐射通量,光通量,光输出特性,染色性等数据。我们可以在不同的参考温度和前向电流条件下,测量这些LED特性值。

在光度测量过程中加入热瞬态测试不会明显增加测试时间。如今功率LED在被贴附到冷板之后,通常可以在30~60S之内达到稳定的温度。所以,光度测量过程中包含热瞬态测试不会增加许多测试时间。

参考温度的影响

比较棘手的是,LED总的热阻值与环境温度有很大的关系。这就意味着当预测LED散热性能时,必须注明测试环境(参考温度)。如果光度测量和热阻测量同时进行,则参考温度就是冷板的温度。

LED说明书中的数据是基于环境温度25oC,但往往LED的实际工作环境温度为50oC,最高甚至可以达到80oC。其结温的范围可能在80oC~110oC的范围。较高的LED工作温度会导致LED光通量的大幅下降。

图7显示了CreeMCE系列白色LED光通量和参考温度的关系,这些测试主要基于两种不同的散热设计方案。测试主要由两块不同的PCB,一个金属芯片和FR4装置所组成。此外,PCB和散热器之间使用了不同的导热界面材料。当散热器温度不断增加,光通量不断下降。

因为两次测试使用一样的LED,所以预计的测试结果是两条平行的曲线,但实际情况并非如此。总的结点至环境的热阻也随着参考温度的变化而变化。图8的结构函数也表明热流路径随温度变化。其中最初的1.5K/W的热阻是有LED内部封装所引起的。之后的热阻部分对应于PCB和位于PCB与LED封装之间的TIM材料。最后一部分是PCB与散热器之间的导热界面材料。在TG2500样品的测试中,两层TIM材料都显示出其热阻与温度有很大关系,从而导致了总热阻有20%的变化。图8中的结构函数被对应到LED的各个组成部分。

图7:使用两种不同的散热设计,6W白色LED参考温度和光通量的关系

图8:在15oC到85oC范围内6WLED的结构函数

光通量是真实结温的函数

一旦获得了LED每一个参考温度下的热损耗和参考温度值,通过公式2可以计算出实际LED结温:

其中,Pheat=IFxVF(Tref)-Popt(Tref)也是公式1中使用的,RthJA是测量的热阻值。如果将图7中的测试数据进行重新处理,将光通量作为LED结温的函数,我们发现两种测试的结果几乎一致(如图9所示)。两条几乎重合的光通量和结温的曲线表明,在我们两种测试中LED芯片和其封装有着一样的光输出特性。

图9:使用两种不同的散热设计,6W白色LED结点温度和光通量的关系

结论

温度是LED照明设备性能的一个重要影响因素,不仅仅影响其预期工作寿命而且决定其工作性能。更低的工作温度可以获得更多的光通量。由于绝大多数的LED供应商没有将LED热阻测试和光度测试同时进行。所以,如今的LED说明书中无法提供LED真实的热阻值。因此,LED供应商提供的热阻值要比LED实际应用中的热阻值要低。如果想要通过CFD仿真的方式获得LED的热性能,那么知道LED的真实热阻值是必须的。如果没有这方面的信息,那么结合光度测量和热瞬态测试,并且再进行一些测试数据处理就可以获得热阻的相关信息。

很少有LED说明书会注明各种温度下光输出特性。通过确定测试中LED的热阻和热损耗,可以将光输出特性描述成真实结温的函数。这就可以消除测试过程中不同环境温度对于实际热阻的影响。当光输出特性可以与实际的结温相对应,那么精确地比较不同的LED照明设备也就成为可能。

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