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LED结温及热阻的测量


LED 结温及热阻的测量
LED 的 PN 结结温是影响 LED 光通量和寿命的主要因素, 本文用电压法对直插 LED, 食人鱼 LED 和大功率 LED 的结温和热阻进行了实验研究。在测量 LED 结温的同时,研究它的光谱变化,色光 LED 峰值波长的偏移与其 结温存在线性关系,白光 LED 的总能量和蓝光能量比率(W/B)的变化与结温也存在线性的关系。因此,采用 非

接触式可间接测取 LED 的结温。 关键词:发光二极管、结温、热阻、峰值波长、能量比 引言 发光二极管(LED)由于其亮度高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动、节能、环保等特点,已被广泛应 用于交通、广告和仪器仪表的显示中,现已在特殊照明中获得应用[1][2],并将成为普通照明中的主要光源[3]。 目前世界上生产和使用 LED 呈现急速上升的趋势,但是 LED 存在发热现象,随着 LED 的工作时间和工作电 流的增加,其发光强度和光通量会下降,寿命降低,对白光还会导致激发效率的下降[4],这主要是由于 LED 结温升高导致的。2002 年 Hong et al.[5]研究结果表明,AlGaInP 红色 LEDs 的峰值波长的偏移与结温的变化存 在线性关系。对于白光 LED,随着结温的增加,LED 发出黄光和蓝光的强度以不同的速率下降,白光 LED 的总 能量和蓝光能量比率(W/B)与结温存在关系。 本文首先对 LED 的结温进行研究,由此可得到 LED 的热阻。然后在测量结温的同时,测量 LED 光谱变化, 可以得出 LED 的 PN 结结温与色光 LED 峰值波长或白光 LED 的白色/蓝色能量比 (W/B) 之间存在一定的关系。 因此可以采用非接触式方法来进行结温的测量。 测量原理 LED 的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素,测量 LED 结温的方法可用通过测量在不同环 境温度下 LED 的正向电压的大小来得到[6]。实验原理如图 1 所示,被测 LED 置于积分球内,积分球放在恒温 箱的中间,积分球内的光经石英光纤导入 SSP3112 快速光谱分析仪,可以快速测取 LED 的峰值波长或 W/B 比 率。将热电偶与 LED 管脚紧密接触,用测温仪读取不同加热电流和不同环境温度下的管脚温度。恒温箱的温度 范围为 0℃-150℃,精度 1℃。PC 机通过高速开关控制对 LED 的加热电流(IF)和参考电流(IFR),并测量 IF 和 IFR 下的 VF 和 VFR。

热是从温度高处向温度低处散热。 大功率 LED 主要的散热路径是: 管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环 境空气。若 LED 的结温为 TJ,环境空气的温度为 TA,散热垫底部的温度为 Tc(TJ>Tc>TA。 在热的传导过程中, 各种材料的导热性能不同, 即有不同的热阻。 若管芯传导到散热垫底面的热阻为 RJC (LED 的热阻) 、散热垫传导到 PCB 面层敷铜层的热阻为 RCB、PCB 传导到环境空气的热阻为 RBA,则从管芯的结温 TJ 传导到空气 TA 的总热阻 RJA 与各热阻关系为: RJA=RJC+RCB+RBA 各热阻的单位是℃/W

可以这样理解:热阻越小,其导热性能越好,即散热性能越好。 如果 LED 的散热垫与 PCB 的敷铜层采用回流焊焊在一起,则 RCB=0,则上式可写成: RJA=RJC+RBA 散热的计算公式 若结温为 TJ、环境温度为 TA、LED 的功耗为 PD, 则 RJA 与 TJ、TA 及 PD 的关系为: RJA=(TJ-TA)/PD (1) 式中 PD 的单位是 W。PD 与 LED 的正向压降 VF 及 LED 的正向电流 IF 的关系为: PD=VF×IF (2) 如果已测出 LED 散热垫的温度 TC,则(1)式可写成: RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD 则 RJC=(TJ-TC)/PD (3) RBA=(TC-TC)/PD (4) 在散热计算中,当选择了大功率 LED 后,从数据资料中可找到其 RJC 值;当确定 LED 的正向电流 IF 后,根据 LED 的 VF 可计算出 PD;若已测出 TC 的温度,则按(3)式可求出 TJ 来。 在测 TC 前,先要做一个实验板(选择某种 PCB、确定一定的面积) 、焊上 LED、输入 IF 电流,等稳定后,用 K 型热电偶点温度计测 LED 的散热垫温度 TC。 在(4)式中,TC 及 TA 可以测出,PD 可以求出,则 RBA 值可以计算出来。 若计算出 TJ 来,代入(1)式可求出 RJA。 这种通过试验、计算出 TJ 方法是基于用某种 PCB 及一定散热面积。如果计算出来的 TJ 小于要求(或等于) TJmax,则可认为选择的 PCB 及面积合适;若计算来的 TJ 大于要求的 TJmax,则要更换散热性能更好的 PCB, 或者增加 PCB 的散热面积。 另外,若选择的 LED 的 RJC 值太大,在设计上也可以更换性能上更好并且 RJC 值更小的大功率 LED,使满足 计算出来的 TJ≤TJmax。这一点在计算举例中说明。 计算举例 这里采用了 NICHIA 公司的测量 TC 的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下: LED:3W 白光 LED、型号 MCCW022、RJC=16℃/W。K 型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。 PCB 试验板:双层敷铜板(40×40mm) 、t=1.6mm、焊接面铜层面积 1180mm2 背面铜层面积 1600mm2。 LED 工作状态:IF=500mA、VF = 3.97V。 按图 9 用 K 型热电偶点温度计测 TC,TC=71℃。测试时环境温度 TA = 25℃. 1.TJ 计算 TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC TJ=16℃/W(500mA×3.97V) +71℃=103℃ 2.RBA 计算 RJA=(TC-TA)/PD =(71℃-25℃)/1.99W =23.1℃/W 3.RJA 计算 RJA=RJC+RBA =16℃/W+23.1℃/W =39.1℃/W 如果设计的 TJmax=90℃, 则按上述条件计算出来的 TJ 不能满足设计要求, 需要改换散热更好的 PCB 或增大散 热面积,并再一次试验及计算,直到满足 TJ≤TJmax 为止。

另外一种方法是,在采用的 LED 的 RJC 值太大时,若更换新型同类产品 RJC=9℃/W(IF=500mA 时 VF=3.65V), 其他条件不变,TJ 计算为: TJ=9℃/W(500mA×3.65V)+71℃ =87.4℃ 上式计算中 71℃有一些误差,应焊上新的 9℃/W 的 LED 重新测 TC(测出的值比 71℃略小) 。这对计算影响不 大。采用了 9℃/W 的 LED 后不用改变 PCB 材质及面积,其 TJ 符合设计的要求


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