LED结温因素与LED热管理方法的改进方法分析

LED在营销材料中经常被描述为“冷”照明，并且实际上LED是触摸凉爽的，因为它们通常不以红外（IR）辐射的形式产生热量。另一方面，LED在二极管半导体结构中产生热量（除了光子之外），并且该热量必须通过传导和对流离开系统。因此，灯具设计人员必须意识到潜在的散热挑战以及这些挑战如何影响LED性能，寿命，甚至灯泡安全性。

高温结温已被证明会导致LED产生更少的光（流明输出）和较低的正向电压。随着时间的推移，较高的结温也可能显着加速芯片退化，在常规使用期间可能会增加75％，从大约100°C增加到135°C。

工程师和材料科学家已经和正在开发新的LED相关热管理解决方案，包括改进的驱动器，隔膜驱动的强制对流方法，更好的散热器，甚至引入石墨泡沫作为冷却介质。本文将首先介绍三种结温考虑因素 - 基本热阻，功耗和结温测量 - 然后简要介绍上述每种改进LED热管理方法的进展。

结温注意事项

在考虑LED热管理时，通常有三个因素会影响结温。这些是环境空气温度，LED结与周围环境之间的热路径（当然，热路径应优化以促进自然热对流）和LED的效率。

环境温度将因应用而异，因此灯具设计师需要关注如何在现实环境中使用设计。例如，几年前，伦斯勒理工学院的照明研究中心和固态照明系统与技术联盟在各种露天，半通风和封闭环境中试验了LED。在封闭环境中，12瓦LED的电路板温度达到60°C，26瓦LED电路板温度升至119°C。

就效率而言，LED效率会因几个因素而异一些设备将高达80％ - 或者甚至更多 - 的输入电能转换为热量。随着LED功率的增加，效率变得更加重要。例如，当LED主要用作指示灯时，电流水平仅为几毫安，而数百毫安或甚至安培在当今应用中变得司空见惯。

测量热阻，功耗和结点温度

在与XLamp XR系列LED相关的优秀应用笔记中，Cree提供了有关如何测量LED热阻，功耗和结温的建议。两点之间的热阻（通常以摄氏度/瓦为单位测量）可以被认为是“温度差与耗散功率之比”。该比率应计算LED结点与热触点或焊点的关系，该热触点或焊点通常位于LED封装的底部，以及与环境的热接触。这些测量值的总和代表整个LED的热阻。

根据Cree的说法，功率消耗“是正向电压和LED正向电流的乘积。”为了确保器件的良好寿命，良好的效率和适当的LED颜色，结温必须保持在指定的频带内。结温（Tj）可以通过将LED的总热阻（R）和功耗（Pd）的乘积与环境温度（Ta）相加来计算。

Tj =（R×Pd） + Ta

改进的LED驱动器和温度传感器

由于电气特性（例如LED的正向电压）会随温度漂移，因此在设计驱动器电路时必须考虑到这一点。因此，LED驱动器处于LED热管理的第一线。例如，美国国家半导体公司或德州仪器公司等制造商正在开发和生产LED驱动器和伴随温度传感器，它们协同工作，根据LED的结温曲线调整流向LED的电流。温度传感器设计有足够的余量，能够检测到过热问题，同时在正常工作温度下不会触发误报。

LED驱动器通常还采用热关断故障保护因此，如果驱动器超过指定温度，通常为125°C至150°C，它们将与LED一起关闭。驾驶员作为热管理器的方法也可以与占用监控解决方案相结合，当在一个未占用的房间中打开LED或者房间的自然光照明在一天中发生变化时，该解决方案将降低LED的流明输出。

改善散热器

如果没有良好的散热，LED的结温会升高，这会导致LED特性发生变化。散热器试图将热量从LED传递到空气中，空气作为一种更加流动的介质，可以自然地将热量从LED中移开，从而有助于保持结温更低。在考虑任何散热器灯具时，设计人员应考虑散热器的表面积，空气动力学，热传递和安装（包括平面度）。

通常，热传递发生在散热器的各种散热片表面上，因此由于更多的翅片或更大的整体物理尺寸，具有更大表面积的散热器应该将更多的热量从LED移开。然而，总的来说，散热器也应该是空气动力学的，以便加热的空气可以快速自由地移动，因此具有许多小而密集的散热片的散热器实际上可能阻碍空气流动并破坏具有更大表面积的预期优势。

作为进一步的考虑，表面积和翅片厚度之间应该保持平衡，因为与相对较薄的翅片相比，思想翅片倾向于提供优异的热传递。因此，如果散热器制造商使用厚鳍片增加热传递速率，则总表面积会有成本。最后，散热器和LED之间的接触点应尽可能平坦，如果LED和散热器安装之间有空间，则热路径不会那么直接。

要解决的问题。新加坡制造技术研究所的研究人员提出了一种新的散热片制造方法，称为液体锻造，对表面积，空气动力学，热传递，甚至安装平整度提出了各种要求。这种技术允许采用非常复杂几何形状的无孔散热器设计，专门用于增加气流而不会放弃过多的表面积。

据研究人员称，“液体锻造是一种创新的混合铸造和成型工艺[其中]将熔融金属/合金浇注到模腔中并在凝固过程中在压力下挤压以在单一工艺中形成金属部件。“

使用该方法制造的散热器以及铝合金与铝合金的组合与更典型的商用挤压，机加工和压铸散热器相比，铜基具有更好的热性能（导热率约为其四倍）。

该技术还可以实现更复杂的散热片和针脚设计可以通过热质量和表面积之间的更好平衡来潜在地改善热对流。由液体锻造产生的无孔表面消除了气穴或其他气流障碍物。当然，在液态锻造散热器容易获得之前仍有工作要做，但该技术很有前景。

另外，像Nuventix这样的公司正在将散热器设计和强制对流的改进结合起来。显着增加通过散热器的空气流动。 Nuventix解决方案称为SynJet。 SynJet使用振荡膜片来产生高速脉冲和相当湍流的气流。该气流在其尾流中吸入空气，这被称为夹带，从而增加了在散热器上移动的空气量。根据Nuventix的说法，这种气流也可以改善热传递。

图1：Nuventix SynJet显着改善了气流。

SynJet是在生产中，随时可供灯具设计师使用。

用于冷却的石墨泡沫

LED热管理的另一项进展来自美国能源部的橡树岭国家实验室，该实验室已开发出石墨泡沫，可将LED灯吸收热量，从而降低工作温度10度以上。

这种特殊的LED热管理技术的发展目标是大型户外照明系统，例如市政当局用于路边灯或停车场和建筑物的企业。

泡沫石墨晶体结构包含内部气穴和网状韧带的组合，以类似于更传统的散热器的方式从LED吸走热量。石墨泡沫轻盈多孔，密度为25％，易于加工成散热片，但纯碳材料具有优异的导热性（与传统金属散热片相比）。

一些设计中已经采用了技术，可能会引发对LED热管理类似材料科学解决方案的研究。

总结

高温会缩短LED的寿命并影响LED的亮度。研究表明，将工作温度降低10度可使LED寿命延长一倍。因此，几乎所有灯具都需要某种类型的散热器或其他热管理技术。本文研究了结温，讨论了如何测量热阻和功耗，并提出了几种降低LED工作温度的解决方案。