一种计算大功率LED光源模块器件结温的方法①

余彬海② 方福波

(佛山市国星光电科技有限公司 佛山528000)

摘 要 研究了大功率LED光源模块各器件之间热传导的相互影响,建立了一种基于热阻矩阵的LED光源模块器件结温计算公式,然后以一个由5只1W大功率器件组成的光源模块为例,演示如何通过测量器件的正向工作电压计算热阻矩阵,进而计算各器件的结温,并与现有方法计算值以及红外测温仪实际测量值进行了比较,结果表明:本方法比现有计算方法更为准确,可以用来预测LED光源的使用寿命和系统可靠性。

关键词 热阻矩阵,PN结温,LED光源模块,大功率LED

0 引言

目前世界上一般1W级商品化的功率LED的光通量不超过30lm,而一只商品化的5W白光LED的光通量最大不超过120lm[1]。因此,用LED作为照明光源一般是采用模块的形式,即将多个LED安装在一个线路板上;为了使光源模块具有较好的热导特性,以及与外部热沉之间拥有良好的热接触界面,一般都采用铝基金属线路板制作所需的电气连接和焊盘,在上面表面贴装功率LED,模块上有驱动电源引线。这种形式的多LED组合形式被称之为LED光源模块。根据器件的多少和类型,LED光源模块的电源可选用12V、18V和24V。

由于LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等[2,3],因此保持LED结温在允许的范围内,是大功率LED器件应用环节都必须重点研究的内容,也是器件应用设计必须着重解决的核心问题。在LED光源模块实际应用中经常发生器件结温超过指定范围而导致性能急剧衰退甚至功能失效的情况,因此研究一种简便实用、准确性好的光源模块结温计算方法对工程应用具有重要意义。文献[4]介绍了一种计算光源模块结温的简便方法,该方法没有考虑光源模块中各器件之间的相互热传导影响。在实际评估光源模块器件结温中,也可以采用红外测温仪测量器件结温,但用于LED温场测试的红外测温仪价格很高,一般的LED光源模块企业和半导体照明灯具生产企业难以购置。因此研究一种简便实用、精度高的光源模块器件结温计算方法对于评估光源模块的制造质量和使用寿命具有重要意义。本文围绕大功率LED光源模块,首先研究各器件之间热交互的相互影响,建立基于热阻矩阵的多LED光源模块器件结温计算公式;然后以一个由5只1W大功率器件组成的光源模块为例,演示如何通过测量器件的正向工作电压计算热阻矩阵,进而计算各器件的结温。

1 LED光源模块器件结温计算

图1是一个LED光源模块的结构示意图。

对于LED光源模块来说,每只功率LED点亮时都是一个热源,热量传递的最主要形式是热传导,而对流换热和辐射换热起的作用较小。因此,在本文中我们只研究导热这种热量传递方式,忽略对流换热和辐射换热的影响。首先考查光源模块上只有一只功率LED,如图2所示。由于模块上只有一个热源,LED结温与热阻、热功率的关系如下:

Tj=Rja×(Pi-Po)+Ta(1)

式中Tj———LED的PN结温;Rja———从PN结到环境之间的热阻;Pi———LED的输入功率;Po———LED的光功率;Ta———环境温度。

我们再以2个LED组成的光源模块为例进行分析。当光源模块上有2只以上的功率LED时,根据导热的热量传递方程,热流量会从温度高的位置向温度低的位置扩散[5],因此当一只LED工作时,一定存在一条热路将热量传导至另外一只LED,导致其结温升高。当光源模块中1#功率LED工作而2#LED不工作时,设稳态时1#LED的PN结温为Tj11,稳态时1#LED的PN结与环境之间的温差为ΔTj11;由于1#LED工作温升的影响,稳态时2#LED的PN结温为Tj21,稳态时2#LED的PN结与环境之间的温差为ΔTj21,环境温度为Ta。当光源模块中2#功率LED工作而1#LED不工作时,由于2#LED工作释放出热量,1#LED的PN结温度一定会受到影响,设稳态时1#LED的PN结温为Tj12,稳态时1#LED的PN结与环境之间的温差为ΔTj12;稳态时2#LED的PN结温为Tj22,稳态时2#LED的PN结与环境之间的温差为ΔTj22。根据文献[6],当有多个热源存在时,温场中各点温度符合线性叠加原理,因此,当1#LED和2#LED都工作在稳态时,1#LED的PN结温Tj1和2#LED的PN结温Tj2为

Tj1=ΔTj11+ΔTj12+Ta(2)Tj2=ΔTj21+ΔTj22+Ta(3)

根据热阻的定义,当仅有1#LED工作时,PN结温与环境温度之间的差值:

ΔTj11=Tj11-Ta=R11×P1(4)

ΔTj21=Tj21-Ta=R21×P1(5)

当仅有2#LED工作时,PN结温与环境温度之间的差值:

ΔTj12=Tj12-Ta=R12×P2(6)

ΔTj22=Tj22-Ta=R22×P2(7)

以上各式中,Rij为LEDj工作时对LEDi所产生热的热阻,Pi为LEDi的热耗散功率。如果我们以矩阵形式表示方程组(2)～(7),则有:

Tj1Tj2=R11R12R21R22P1P2+TaTa(8)

方程式(8)就是一个由2只功率LED组成的光源模块的各器件PN结温的计算公式。通过这个公式,只要建立起对象的热阻矩阵,我们就可以十分简单方便地计算和评估模块上各个LED的结温了。类似地,我们可以得出一个N个LED组成的光源模块的各LED结温的计算公式:

Tj1…Tjn=R11…R1n………Rn1…RnnP1…Pn+Ta…Ta(9)

2 算法应用与分析

下面以国星光电公司的FS2LSW501W光源模块为例,演示如何利用公式(9)计算光源模块上各LED上PN结的结温。FS2LSW501W是一个由5只1W白光LED均匀排列组成的光源模块。只要建立起一个5×5的热阻矩阵、计算出各LED的热功率以及测量当时环境温度,运用公式(9)就可以计算并分析各LED的结温了。各LED的热功率等于输入功率减去光功率,而环境温度只需简单地用温度计测量即可;热阻矩阵的第1列是对应功率LED1工作时,由于热量P1引起的热传递的各热阻值,……,热阻矩阵的第5列是对应功率LED5工作时,由于热量P5引起的热传递的各热阻值。设由于LEDi工作引起LEDj的PN结温升高导致的LEDj的正向压降的变化值为ΔVfji;因为LED的正向压降变化值与PN结温的变化成线性关系[7],即:

ΔTji=kj×ΔVji(10)

kj=Thigh-TlowVlow-Thigh(11)

式中kj为LEDj的正向压降的K系数,可以从LED产品数据手册中查询得到,也可以按文献[7]的方法进行测量。

依据热阻定义,热阻值的计算非常容易:

Rji=ΔTjiPi(12)

式中Pi为热耗散功率,Pi=IIi×VIi-Poi,即Pi等于LEDi的输入功率减去光功率。

正向压降的变化值测量步骤如下:

步骤1:将各LED编号,对每一个LED采用独立电源分别驱动;

步骤2:将金属线路板置于恒温箱中,恒温箱温度设置为25℃,保存时间3个小时;

步骤3:开关K1从位置0掷至位置1,15mA的驱动电流流经LED1,迅速记录LED1的正向压降;开关Kj(i=2,3,4,5)从位置0掷至位置1,15mA的驱动电流流经LEDj,迅速记录LEDi的正向压降(测量正向电压的毫伏计的精度为1mV),测试电路如图3(A)(B)所示,通过各LED的电流与时间如图3(C)所示,图中IM=15mA,IH=400mA;

步骤4:开关K1快速从位置1掷至位置2,400mA的驱动电流流经LED1,同时迅速将开关Kj从位置1拨回位置0,其他各LED驱动电流为0,LED1点亮2小时;

步骤5:开关K1快速从位置2掷至位置1,同时Kj(j=2,3,4,5)从位置0掷至位置1,各LED流经电流设置为15mA,迅速记录各LED的正向压降;

步骤6:将各开关掷至位置0。

这样,我们可以得到ΔVj1(j=1,2,…,5)的值。将LED2作为热源,重复步骤2至步骤6,我们就可以得到ΔVfj2(j=1,2,…,5)的值。依次类推,直至得到ΔVfj5(j=1,2,…,5)的值,如表1所示。

根据公式(10)、(11)计算,热阻矩阵如下:[R]=

9.261.541.030.511.031.929.590.960.480.480.990.499.370.490.991.000.501.509.501.001.520.510.511.018.62(13)  

现在我们运用上述公式计算光源在额定工作条件下各LED的PN结温的值。将LED光源模块放置在摄氏25度的环境下通电,每个LED的工作电流为350mA。经测试,模块中LED的光电转换效率为9%,即输入功率中仅有9%的能量转化为了光输出,其它都转化为了热能。工作电流为350mA时正向压降为3.243V。因此:

[P]=Pin1-Po1Pin2-Po2Pin3-Po3Pin4-Po4Pin5-Po5=1102411040110711104011074;[Ta]=2525252525(14)

将式(12)、（13）代入式(9)计算结果如表2所示。表2中第4列是采用文献[4]的方法计算得出的结果,最后一列是采用红外测温仪测量的各LED的结温。从表中我们可以看出,本算法的计算结果与红外测温仪测量的结果基本一致,而文献[4]方法计算所得结果则与测量结果存在较大误差。文献[4]方法没有考虑光源模块中各功率器件之间的热交互影响,这是其误差较大的主要原因。对于LED光源模块来说,由于各器件的空间距离较近,功率器件的热耗散又比较大,因此忽略器件之间的热交互干扰将造成较大的计算误差。而在红外测温仪方面,致冷型仪器价格昂贵、测量周期长,便携式仪器的测量精度和空间分辨率又不高,因此制约了其在工程实际中的应用。这也正是本研究的意义所在。

3 结论

本计算方法中,测量电流IM的值选取对结温的测量存在一定的影响。一般来

说,IM的值应大于被测量LED的截止电流,但若IM选取过大,则会引起较大的测量误差,从而导致被测光源模块的热阻矩阵不准确,最后导致本计算方法计算结果的失真。本PN结温计算方法研究大功率LED光源模块各器件之间的热传导影响,建立了基于热阻矩阵的多LED光源模块器件结温计算公式;经由一个具体光源模块验证,表明本计算方法比文献[4]的方法计算结果准确,且与实际测量结果非常吻合,从而为LED光源模块以及半导体照明灯具中器件结温评估提供了一个准确、简便、实用的方法,在工程实际中可以用来预测LED光源的使用寿命和系统可靠性。