熱設(shè)計(jì)與測試：實(shí)現(xiàn)可靠 SSL 的關(guān)鍵因素

與向外輻射熱量的白熾燈不同，LED產(chǎn)生的熱量必須以傳導(dǎo)的方式從這些半導(dǎo)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(fā)生變化。對于確保固態(tài)照明（SSL）燈具的功效和平均壽命而言，解決這些熱學(xué)難題至關(guān)重要。

溫度效應(yīng)
如果對熱設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)注意，LED的壽命可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5萬小時(shí)（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(dāng)外殼溫度達(dá)到130℃時(shí)，根據(jù)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(jié)點(diǎn)溫度才能實(shí)現(xiàn)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(jié)溫——于封裝的深處測得，遠(yuǎn)離芯片的表面。因?yàn)榻Y(jié)溫不容易進(jìn)行測量，所以通常都是讀取封裝（或外殼）溫度，然后計(jì)算得到實(shí)際的結(jié)溫。對于某些LED而言，最高結(jié)溫可高達(dá)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(jié)溫，對于新推出的器件，這個數(shù)值在不斷增加。

測量和管理
在美國能源部所發(fā)布的《LED照明器具可靠性報(bào)告》中，作者指出，LED照明器具的壽命并不等同于所估計(jì)的LED壽命。因此，他們強(qiáng)調(diào)，需要理解溫度的測量方式以及其對系統(tǒng)預(yù)期壽命的影響。集中定位的溫度傳感器不足以監(jiān)測、探測和保護(hù)多重LED設(shè)計(jì)。

美國電氣制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《用于照明器具的固態(tài)照明配件接口的推薦標(biāo)準(zhǔn)》中的“NEMA LSD 45-2009”提供了用于LED溫度測試點(diǎn)的詳細(xì)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(jiān)測和控制溫度。增加的電路會增大SSL設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，但同時(shí)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(guān)重要，但熱設(shè)計(jì)卻是影響燈具美觀的重要因素之一。照明器具設(shè)計(jì)者所面臨的挑戰(zhàn)就是使鋁外殼給人以美感。熱管理和散熱器結(jié)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(shù)。

熱測試是SSL燈具設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要因素。需要令人滿意地回答與熱性能有關(guān)的幾個問題，其中包括：

● 熱設(shè)計(jì)足以確保燈源的功效嗎？

● 需要散熱器，或者照明器具結(jié)構(gòu)確保了足夠的散熱嗎？

● 熱設(shè)計(jì)考慮到最壞的情況嗎？

要回答這些問題，需要進(jìn)行詳盡的熱分析，并且可能需要多次迭代，以優(yōu)化最終設(shè)計(jì)。這可能非常耗費(fèi)時(shí)間，特別是在需要利用外包測試服務(wù)時(shí)。[!--empirenews.page--]

一種系統(tǒng)方法
考慮到精確測量溫度的復(fù)雜程度，再加上縮短上市時(shí)間的想法，因此，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)可精確記錄溫度的測試工具可以簡化針對設(shè)計(jì)正確性的驗(yàn)證任務(wù)。

這種方法的一個例子就是作為TE Connectivity公司NEVALO系統(tǒng)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(guān)鍵要素進(jìn)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(jīng)過配置，用于熱測試的LED燈光模塊（LLM）。這個模塊與產(chǎn)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(shè)備的互連件。

3.在PC上運(yùn)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(cè)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(shè)計(jì)人員就能夠驗(yàn)證在實(shí)際照明燈具中的每個LLM的熱性能。因此，該工具有助于監(jiān)測在不同工作和環(huán)境條件下的LED結(jié)溫。此外，該工具還能夠提供如下幫助：

● 分析LLM設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)與LED結(jié)溫關(guān)聯(lián)起來；

● 優(yōu)化LLM可靠性測試；

● 優(yōu)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(shù)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(dāng)詳盡的信息，但它同樣也為可接受的熱設(shè)計(jì)提供了簡單的“通過”/“不通過”表示。在綠色區(qū)域中的穩(wěn)定溫度表示可接受的熱設(shè)計(jì)，但過于靠近綠色區(qū)域底部則表示不太需要散熱器。

圖4 熱測試工具數(shù)據(jù)的電腦GUI顯示為LLM溫度提供了記載和記錄

利用從熱評估工具獲取的數(shù)據(jù)，就可以對整個SSL系統(tǒng)進(jìn)行測試并記載其結(jié)果，以此可驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否很好地符合了LED設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)也確定了燈具設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。

隨著照明制造商從傳統(tǒng)（白熾燈）設(shè)計(jì)過渡到固態(tài)照明設(shè)計(jì)，熱設(shè)計(jì)和熱性能為設(shè)計(jì)復(fù)雜程度增加了新的、可能不太熟悉的一個層面。對于確保SSL照明器具的功效和預(yù)期壽命而言，嚴(yán)格地評估熱性能必不可少。