熱設計與測試:實現可靠SSL的關鍵因素 - 全文

　　與向外輻射熱量的白熾燈不同，LED產生的熱量必須以傳導的方式從這些半導體器件散播出去。如果沒有合適的熱管理，LED光能輸出會減少，主波長和峰值波長則會增加，而色溫也會發生變化。對于確保固態照明(SSL)燈具的功效和平均壽命而言，解決這些熱學難題至關重要。

　　溫度效應

　　如果對熱設計進行適當注意，LED的壽命可以遠遠超過5萬小時(見圖1)。不過，除了縮短工作壽命之外，溫度的升高還會降低LED的性能。隨著溫度的升高，相對光通量(光輸出)會減少(見圖2)。對于某些LED而言，當外殼溫度達到130℃時，根據色溫額定值的不同，輸出將減少80%或更多。

　　圖1 隨著電流的增大，需要更低的結點溫度才能實現更長的工作壽命

　　圖2 隨著熱襯墊(外殼)溫度的增加，光的相對輸出量會降低

　　LED的臨界溫度——結溫——于封裝的深處測得，遠離芯片的表面。因為結溫不容易進行測量，所以通常都是讀取封裝(或外殼)溫度，然后計算得到實際的結溫。對于某些LED而言，最高結溫可高達150℃，而正常的工作外殼溫度則在-40～135℃之間。每家LED制造商都會確定各自的LED最高結溫，對于新推出的器件，這個數值在不斷增加。

　　測量和管理

　　在美國能源部所發布的《LED照明器具可靠性報告》中，作者指出，LED照明器具的壽命并不等同于所估計的LED壽命。因此，他們強調，需要理解溫度的測量方式以及其對系統預期壽命的影響。集中定位的溫度傳感器不足以監測、探測和保護多重LED設計。

　　美國電氣制造商協會標準《用于照明器具的固態照明配件接口的推薦標準》中的“NEMA LSD 45-2009”提供了用于LED溫度測試點的詳細推薦方案。采用擺放位置合適的溫度傳感器，就可以通過增加的電路來測量、監測和控制溫度。增加的電路會增大SSL設計的復雜程度，但同時也會提高照明器具的性能、可靠性和壽命。

　　盡管熱管理對于SSL電子部分至關重要，但熱設計卻是影響燈具美觀的重要因素之一。照明器具設計者所面臨的挑戰就是使鋁外殼給人以美感。熱管理和散熱器結合起來，確保了高性能和長期可靠性，使得SSL成為高能源效率照明的理想技術。

　　熱測試是SSL燈具設計的一項重要因素。需要令人滿意地回答與熱性能有關的幾個問題，其中包括：

　　● 熱設計足以確保燈源的功效嗎?

　　● 需要散熱器，或者照明器具結構確保了足夠的散熱嗎?

　　● 熱設計考慮到最壞的情況嗎?

　　要回答這些問題，需要進行詳盡的熱分析，并且可能需要多次迭代，以優化最終設計。這可能非常耗費時間，特別是在需要利用外包測試服務時。

　　一種系統方法

　　考慮到精確測量溫度的復雜程度，再加上縮短上市時間的想法，因此，經特殊設計可精確記錄溫度的測試工具可以簡化針對設計正確性的驗證任務。

　　這種方法的一個例子就是作為TE Connectivity公司NEVALO系統的一部分而提供的工具。這種工具的使用方法演示了如何將熱分析所需的關鍵要素進行集成，以滿足用戶的需要。

　　這種熱評估工具(見圖3)包括三部分：

　　1.經過配置，用于熱測試的LED燈光模塊(LLM)。這個模塊與產品LLM幾乎完全相同，只不過它包含了熱測試電路(熱敏電阻)。

　　2.用于連接到熱測試設備的互連件。

　　3.在PC上運行的圖形化用戶界面(GUI)測試軟件。

　　圖3 一種四LED照明模塊(a)及其熱測試板配對物(b)。測試板右側的特殊插頭能夠連接到電腦的USB接口

　　有了這樣的一種工具，設計人員就能夠驗證在實際照明燈具中的每個LLM的熱性能。因此，該工具有助于監測在不同工作和環境條件下的LED結溫。此外，該工具還能夠提供如下幫助：

　　● 分析LLM設計，并將設計與LED結溫關聯起來;

　　● 優化LLM可靠性測試;

　　● 優化為保證LED處于安全工作溫度所需的散熱器的尺寸。

　　在電腦屏幕所顯示的GUI上，這種工具將以一種類似于圖表記錄器的格式記載并記錄下LLM溫度。溫度讀數可以采用攝氏度或華氏度為單位，精度為±0.1℃。盡管這種工具提供了相當詳盡的信息，但它同樣也為可接受的熱設計提供了簡單的“通過”/“不通過”表示。在綠色區域中的穩定溫度表示可接受的熱設計，但過于靠近綠色區域底部則表示不太需要散熱器。