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功率LED热设计时如何考虑其真实的热阻

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-05-12

  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

  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

  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灯的热仿线进行测试(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 Graph

  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

  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

  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(VF10V)的LED。

  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。

  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

  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。

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