譯者言：LED正在向著高功率、高光通的方向發(fā)展，隨著單管輸入功率的增加，LED應用中的散熱問題(熱工控制)逐漸突出。合理的熱工控制.可以有效提高LED的光效、光通和使用壽命。譯者在Lumileds的網(wǎng)站上看到這篇有關(guān)Super Flux LEDs熱工控制的文章，特翻譯出來，希望對從事LED器件和應用產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)的國內(nèi)同行提供參考。在翻譯過程中，為了讀者閱讀方便，譯者對原文結(jié)構(gòu)進行了小的調(diào)整，并對文章標題進行了編號。
1．引言
溫度可以影響LED的性能和可靠性，因此對于LED信號燈的設(shè)計來說熱工控制是非常關(guān)鍵的問題。本文詳細討論了溫度對LED的影響，LED信號燈的熱工測量技術(shù)，介紹了幾種典型的熱工控制設(shè)計實例。
2．高功率LED熱工控制的重要性
2.1 溫度引起LED輸出特性改變
LED工作時PN結(jié)的結(jié)溫對LED的光通量、顏色和輸入電壓都有一定程度的影響，而結(jié)溫主要受環(huán)境溫度和輸入電功率的自加熱效應影響。
2.1.1 結(jié)溫對光通量的影響LED的光通量與溫度的函數(shù)關(guān)系可以表示如下
表1 高亮度LED材料的溫度系數(shù)  φv(T2)=φv(Tl)ekΔTj
其中：
φv (Tl)=結(jié)溫Tl時的光通量
φv (T2)=結(jié)溫T2時的光通量
k=溫度系數(shù)
ΔTj=結(jié)溫的改變量(T2-T1)。
幾種典型的高亮度LED溫度系數(shù)見表1． 表2 輸入電壓隨溫度的變化系數(shù) LED Material Type ΔVf/ΔT(mV/℃) AS AlInGap -2.0 TS AlInGap -2.0 對于吸收襯底(AS) 和透明襯底(TS)紅橙色AlInGaPLED，光通量隨溫度升高而衰減，情況如圖1所示(光通量以25℃時的值為標準作了歸一化)。  圖1 恒流驅(qū)動時LED光通量隨溫度變化 從圖１可以看出溫度對光通量影響很大，溫度75℃時LED輸出光通量只有室溫時的一半左右，因此在LED組件設(shè)計時必須將溫度對光通量的影響考慮進去。 2.1.2 主波長(顏色)隨結(jié)溫的變化 結(jié)溫也會影響到LED的主波長(顏色)。主波長隨溫度的變化關(guān)系可以表示如下：
λd(T2)=λd(T1)＋ΔTj·0.1(nm/℃ )
其中
λd(T1)=結(jié)溫T1時主波長
λd(T2)=結(jié)溫T2時主波長
有一個很容易記住的關(guān)系是結(jié)溫每升高10℃，主波長增加1nm。因為紅色LED汽車信號燈顏色的允許范圍非常寬(大約為90nm)，在設(shè)計時顏色的變化不是很重要，但是，在設(shè)計黃色汽車信號燈時，必須考慮到顏色的漂移(根據(jù)地區(qū)規(guī)定的不同，黃色LED信號燈允許的波長范圍在5-10nm)
2.1.3 溫度導致LED失效 典型的LED由光學透明的環(huán)氧樹脂封裝。溫度升高到環(huán)氧樹脂玻璃轉(zhuǎn)換溫度Tg時，環(huán)氧樹脂由剛性的、類似玻璃的固體材料轉(zhuǎn)換成有彈性的材料。通常情況，在玻璃轉(zhuǎn)換溫度Tg，環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)(CTE)會有很大變化，Tg位于熱膨脹系數(shù)劇烈變化區(qū)域的正中間，見圖2。  圖2 環(huán)氧樹脂的熱脹系數(shù)隨溫度變化 為了避免LED突然失效，結(jié)溫T應該始終保持在封裝樹脂的Tg以下。HP定義的最大結(jié)溫T(max)就低于封裝樹脂的玻璃T，對于Super Flu×LEDs，T(max)=125℃。如果溫度超過了T(max)，封裝樹脂的CTE將會發(fā)生很大變化，一個大的熱膨脹系數(shù)(CTE)使得封裝樹脂在溫度變化的過程中，膨脹和收縮加劇，這將導致金線(或鋁線)鍵合點位移增大，金線(或鋁線)過早疲勞和損壞。造成LED開路和突然失效。
3 LED組件的熱工模型
3.1 LED汽車信號燈的熱阻
正如電阻與電傳導緊密相關(guān)一樣，熱阻與熱量傳導緊密相關(guān)。阻力(熱阻、電阻等)的普遍定義為位能差和能量傳輸速率的比值，熱阻可以用下式表示：
R=ΔT/ax
其中：
Rθ= 兩點間的熱阻
ΔT=兩點間的溫度差
qx= 兩點間熱量傳輸速率
LED信號燈的熱阻(結(jié)—環(huán)境熱阻，Rθpa)由兩個主要部分組成：LED封裝帶來的熱阻(結(jié)—管腳熱阻，Rθjp)和燈殼熱阻(管腳—環(huán)境熱阻，Rθpa)。它們之間是串聯(lián)的關(guān)系，如圖3所示  圖3 LED燈具熱陰結(jié)構(gòu)示意圖 Rθjp＋Rθpa=Rθja
假設(shè)所有電功率都轉(zhuǎn)變成了熱(約有5-10%的電能轉(zhuǎn)換成了光)，LED PN結(jié)到管腳的熱阻(Rθjp)可以用下列方程表示：
Rθjp=(Pj-Tp)/P
其中:P=LED輸入總的電功率(If Vf )
對于LED組件，組件中單個LED的熱阻(Rθja)可以用下式表示
Rθja=(Pj-Tp)/P
=[(ΔTj+Ta)-Ta]/P =ΔTj/P
其中Tj= ΔTj+Ta 。
從公式可以看出，為了確定組件的熱阻Rθja，首先要確定結(jié)溫升和輸入器件的電功率。測試時電功率可以用輸入電壓與輸入電流相乘得到，結(jié)溫升可以通過測試過程的輸入電壓改變得到。 表3 幾類LED組件的典型Rθja值 LED Lamp Classification Typical(℃/W) Class 1 325 Class 2 400 Class 3 500 Class 4 650 |
