热设计与测试:实现可靠SSL的关键因素

 

　　与向外辐射热量的白炽灯不同，LED产生的热量必须以传导的方式从这些半导体器件散播出去。如果没有合适的热管理，LED光能输出会减少，主波长和峰值波长则会增加，而色温也会发生变化。对于确保固态照明(SSL)灯具的功效和平均寿命而言，解决这些热学难题至关重要。

　　温度效应

　　如果对热设计进行适当注意，LED的寿命可以远远超过5万小时(见图1)。不过，除了缩短工作寿命之外，温度的升高还会降低LED的性能。随着温度的升高，相对光通量(光输出)会减少(见图2)。对于某些LED而言，当外壳温度达到130℃时，根据色温额定值的不同，输出将减少80%或更多。

　　

 

　　图1 随着电流的增大，需要更低的结点温度才能实现更长的工作寿命

　　

 

　　图2 随着热衬垫(外壳)温度的增加，光的相对输出量会降低

　　LED的临界温度——结温——于封装的深处测得，远离芯片的表面。因为结温不容易进行测量，所以通常都是读取封装(或外壳)温度，然后计算得到实际的结温。对于某些LED而言，最高结温可高达150℃，而正常的工作外壳温度则在-40～135℃之间。每家LED制造商都会确定各自的LED最高结温，对于新推出的器件，这个数值在不断增加。

　　测量和管理

　　在美国能源部所发布的《LED照明器具可靠性报告》中，作者指出，LED照明器具的寿命并不等同于所估计的LED寿命。因此，他们强调，需要理解温度的测量方式以及其对系统预期寿命的影响。集中定位的温度传感器不足以监测、探测和保护多重LED设计。

　　美国电气制造商协会标准《用于照明器具的固态照明配件接口的推荐标准》中的“NEMA LSD 45-2009”提供了用于LED温度测试点的详细推荐方案。采用摆放位置合适的温度传感器，就可以通过增加的电路来测量、监测和控制温度。增加的电路会增大SSL设计的复杂程度，但同时也会提高照明器具的性能、可靠性和寿命。

　　尽管热管理对于SSL电子部分至关重要，但热设计却是影响灯具美观的重要因素之一。照明器具设计者所面临的挑战就是使铝外壳给人以美感。热管理和散热器结合起来，确保了高性能和长期可靠性，使得SSL成为高能源效率照明的理想技术。

　　热测试是SSL灯具设计的一项重要因素。需要令人满意地回答与热性能有关的几个问题，其中包括：

　　● 热设计足以确保灯源的功效吗?

　　● 需要散热器，或者照明器具结构确保了足够的散热吗?

　　● 热设计考虑到最坏的情况吗?

　　要回答这些问题，需要进行详尽的热分析，并且可能需要多次迭代，以优化最终设计。这可能非常耗费时间，特别是在需要利用外包测试服务时。

　　一种系统方法

　　考虑到精确测量温度的复杂程度，再加上缩短上市时间的想法，因此，经特殊设计可精确记录温度的测试工具可以简化针对设计正确性的验证任务。

　　这种方法的一个例子就是作为TE Connectivity公司NEVALO系统的一部分而提供的工具。这种工具的使用方法演示了如何将热分析所需的关键要素进行集成，以满足用户的需要。

　　这种热评估工具(见图3)包括三部分：

　　1.经过配置，用于热测试的LED灯光模块(LLM)。这个模块与产品LLM几乎完全相同，只不过它包含了热测试电路(热敏电阻)。

　　2.用于连接到热测试设备的互连件。

　　3.在PC上运行的图形化用户界面(GUI)测试软件。

　　

 

　　图3 一种四LED照明模块(a)及其热测试板配对物(b)。测试板右侧的特殊插头能够连接到电脑的USB接口

　　有了这样的一种工具，设计人员就能够验证在实际照明灯具中的每个LLM的热性能。因此，该工具有助于监测在不同工作和环境条件下的LED结温。此外，该工具还能够提供如下帮助：

　　● 分析LLM设计，并将设计与LED结温关联起来;

　　● 优化LLM可靠性测试;

　　● 优化为保证LED处于安全工作温度所需的散热器的尺寸。

　　在电脑屏幕所显示的GUI上，这种工具将以一种类似于图表记录器的格式记载并记录下LLM温度。温度读数可以采用摄氏度或华氏度为单位，精度为±0.1℃。尽管这种工具提供了相当详尽的信息，但它同样也为可接受的热设计提供了简单的“通过”/“不通过”表示。在绿色区域中的稳定温度表示可接受的热设计，但过于靠近绿色区域底部则表示不太需要散热器。

　　

 

　　图4 热测试工具数据的电脑GUI显示为LLM温度提供了记载和记录

　　利用从热评估工具获取的数据，就可以对整个SSL系统进行测试并记载其结果，以此可验证系统性能是否很好地符合了LED设计规范，同时也确定了灯具设计的安全系数。