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功率LED热设计时，如何考虑其真实的热阻

众所周知，HYPERLINK"http://lighting.cnledw.com/"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LEDHYPERLINK"http://lighting.cnledw.com/"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（InternationalLightingCommittee）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HYPERLINK"http://lighting.cnledw.com/LED.htm"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HYPERLINK"http://lighting.cnledw.com/product.htm"LED产品的散热状况。因为HYPERLINK"http://lighting.cnledw.com/led-lights.htm"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MentorGraphicsMicReD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。LE