功率LED热设计关键之如何针对热阻进行热管理

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。

　　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，JEDEC JC15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，Tj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显示了在 JEDEC 标准自然对流测试环境中的一个改进MR16 LED灯的热仿真结果。

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 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，die attach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）

　　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，TERALED 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