引言

　　每个设计师只有清楚地了解LED内部从PN结到环境的热特性，才能确保得到一个安全，可靠的设计和令人满意的性能。

　　在热流路径中可能有裸芯片或胶层等多个导热界面，并且它们的厚度和热阻很难在生产过程中进行控制。此外，在LED封装和作为散热器的照明设备外壳之间的导热界面进一步增加了设计的挑战性。必须在样机阶段尽可能早地了解LED的热阻值。

　　1 电流、颜色和效能

　　LED的光输出特性主要取决于其工作条件。前向电流增加会使LED产生更多的光。但当前向电流保持不变，光输出会随着LED的温度升高而下降。图1描述了温度，电流和光输出的关系。并且描述了一个LED相关的颜色光谱在峰值波长处的偏移。用于普通照明的单色LED，蓝色光谱的峰值会发生偏移，因此改变了LED所谓的色温。这会对LED照明空间内的感官产生影响。

　　图1 电流和温度依赖于一个LED光输出中光谱强度分布

　　像很多其它产品一样，照明系统设计时也要权衡成本和性能。功率分配及因此产生的散热需求很大程度上是由LED的能量转换效率所决定。其定义为发出的光能和输入电功率的比值。能效值与另一个度量参数效能有密切关系，它是一个关于有用性的评价指数，可感知的光除以提供的电功率的比值。效能被用于评估不同光源的优劣。不幸的是LED的效能会随着LED结温的增加而下降。预测LED的输出光通量是照明设计的最终目标。提供有效散热的热管理解决方案可以在LED实际应用中产生更多一致颜色的光通量。

　　热量从LED封装芯片开始传递，相关的数据由供应商提供。图2中显示的是常见的导热结构。一个LED灯大约50%的结点至环境的热阻由LED封装所引起。

　　图2 功率LED的典型热传导结构

　　传统的LED标准需要进一步地完善。相关的工业标准正在起草，但LED供应商仍然以不同方式定义它们产品的热阻和其它与温度相关的特性参数。例如，当确定LED热阻时忽略了作为条件变量的辐射光功率，那么得到的热阻值将会比实际热阻值要低。如果实际的热阻值更高，则相应的LED结温也会更高，从而造成发出的光通量不够。所以，了解真实的LED热特性参数是非常重要的。

　　2 测量：温度比光通量更重要

　　假设LED的温度与其两端的前向电压降成线性关系。因此，通过观察电压降可以精确地推算出温度的变化。为了很好地进行这个测试，测试系统的硬件和软件必须满足一定的要求。例如MentorGraphics的MicReD商业自动化测试系统就是满足此类要求的典型设备。

　　图3 热瞬态测试装置

　　图3描绘了此类测量装置的简图(不成比例)。测量的第一步是确定前向电压在一个非常小的电流下的温度敏感性，这个小电流可以是传感器或测量电流。之后，LED被施加一个大电流，从而使其变热。接着停止施加大电流，并且很小的传感器电流再次出现，同时用一个高采样率完成前向电压的测量，直至LED结温完全趋于稳定。

　　由于LED快速的热响应，所以测量的硬件设备必须能够捕捉LED电流停止施加后几微秒内的温度(电压)改变。

　　如图3所示，被测量的LED处于一个封闭空间内，这个封闭空间是JEDEC标准的自然对流腔，它提供了一个没有气流流通的环境。T3ster也可以提供类似的装置。表格1归纳了测试步骤。

　　表1：热瞬态测试流程

　　在电子行业，术语“Z”代表阻抗，在我们的例子中代表热阻抗。在热阻抗的曲线中，其表示温差除以热功耗的值。因此，图4中的Z曲线表述了对于1W热功耗的温度改变。

　　热阻抗曲线Zth总体来看比较平滑，但局部还是有波动，工程师需要解释其中的原因。而且它是由大量密集的数据点所构成，所以潜在的信息非常丰富。集成先进应用数学且功能强大的热测试系统可以提供非常有用的Zth和时间曲线的分析变换。

　　图4 Zth曲线代表加热功率1瓦时，温度vs.时间

　　结构函数的形式与实际结点至环境热流路径保持一一对应的关系。元件的结点始终在图形的原点。图5中的图形就描述了这一概念。

　　在LED元件中，由半导体产生的热量从它的自身开始传递。结点被加热，之后热量通过许多热阻，同时加热热流路径上的物体。事实上，热量通过的热阻越多，更多的热容被加热。

　　在图5中，最初的曲线非常陡峭，同时热容被加热。这个曲线进行了注解，描述了LED/MCPCB，封固剂(导热硅脂)和照明设备三个阶段。但在第一个阶段内，曲线描述了更小的一些阶段，譬如Dieattach,散热板，甚至是紧固铜散热板和MCPCB的胶水。注意这个图形证实了早期的一个论点，那就是LED自身的热阻占整个系统结点至环境热阻的50%。

　　再次查看图3，注意测量的仅仅是LED元件两端的电压。系统是如何得到了整个照明设备的热数据呢?答案就是监控和观察温度的下降曲线。

　　当LEDDie的温度开始下降，由于只有一个对其温度有影响的物体直接连接着它，它的温度下降缓慢。Die温度下降所需要的时间主要取决于热容，它可以存储热量。测试系统监控温度微小的改变，并且将其变换为热阻/热容数据点，如果具有一样的特性则会看到类似的曲线。所以对测试系统的灵敏度有很高的要求。

　　图5 LED和光源系统的结构

　　函数从测试到模型结构函数帮助工程师评估整个散热路径中的各个部分。重要的是它们可以帮助揭示设计中存在的问题，这些问题可能影响设备的生产或可靠性。

　　3 从测试到模型

　　结构函数可以进一步转变成简化模型，也就是一个包含热阻热容的等效网络，它包含了结构函数图形中所包含的所有数值。图6描述了类似功率LED等半导体元件的一个通用模型。当然，实际的模型中R和C会有具体的数值。

　　图6 简约模型

　　借助瞬态热测试得到的R/C网络模型可以直接被用于热设计工具中，在这些热设计工具中对LED系统进行热仿真。为了满足市场对于它们产品更多热性能数据的要求，一些半导体供应商开始使用瞬态模型去描述它们功率开关和类似产品的热性能，这也为LED供应商在将来也遵从这种做法提供了借鉴。