热测试（八）——功率LED的高精度温度测试以及与FloEFD的联合热设计

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LED（LightEmitting Diode），发光二极管，是将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED的核心是半导体的晶片，整个晶片被环氧树脂封装。

当电流通过LED元器件的时候，P-N结的温度会随之上升，并且将P-N的温度定义为LED结温，LED结温直接决定着LED的光学特性和电学特性。结温的上升会导致禁带的宽度、电子空穴浓度、有效载离子复合率等微观参数变化，从而导致发光波长偏移、白光LED的光度和色度性能变差、寿命变短、加速LED光电特性的恶化等，同时封装材料的特性也会在高结温的影响下迅速衰减，从而导致LED器件失效。随着结温的增加，LED的最大光效率降低，波长向长波长逐渐变化，并且随着结温的升高，晶格失配导致位错结构缺陷，从而使发光效率和复合效率不断降低，所以导致发光效率和发光强度的降低。LED相对传统光源几乎是压倒性的优势，但是LED如果散热不佳会大幅缩短其寿命，因此精确掌握LED器件的温升规律成为提高设备工作可靠性的关键所在。而影响LED的结温主要三个因素是LED的发热功率，散热设计及环境温度。

图1 LED传热示意图

上图是LED传热的示意图，芯片的热最终通过热沉传输到环境中，从结到环境同样可以用RC网络模型来等效出其一维散热路径，用T3Ster测试，同样可以测出其结构函数，而热设计的目的就是降低结到环境的热阻。

实际情况中，研究和测试LED的热阻，和一般的功率器件还是有着本质的区别。LED也是芯片，测试方法和测试其他的功率器件是一样的，首先也要标定表征结电压和温度之间关系的K系数，遵循JEDEC51标准，通过静态法测试。

图 2 光学测试和热学测试

但LED的耗电功率，热功率，结温，电光转换效率互相影响，在LED热测试标准（JESD51-51）中，热阻被定义为温度梯度和发热功率之间的比值，而发热功率是耗电功率减去发光功率。

P_h= P_el- P_op

P_h：发热功率

P_el：耗电功率

P_op：发光功率

R_th = ΔT/ P_h

R_th: 热阻

ΔT : 温度梯度

实际情况中，发热功率和耗电功率之间并不是恒定的比值，在目前的LED模块的Datasheet里面大多数给定是数据是电热阻。

图3 电光转换效率对热测试的影响

上图我们可以非常清楚的看出来，在不同的电流下，其耗电功率和发热功率的值，即使在同一个壳温下，不同电流的转换效率是不一样的，也就是说，如果用电功率作为分母，计算出来的电热阻不可能是一个恒定值。Datasheet给出的电热阻，只能是一个参考值。

为了能精确对LED模块做温升分析，我们必须想办法测量实际热阻R_{th_real}。所以，当计算实际的热阻值时，必须清楚地了解LED的光功率。为了获得这方面的信息，一个热测试设必须具备测试LED光功率的功能。LED光功率测试必须遵从CIE协会的相关标准。图4是这样一个测试系统的描述。T3Ster热测试仪器对处于TeraLED系统中的被测试LED提供一个电功率，TeraLED是一个由积分球和探测器组成的自动光度测量装置，可以提供被测试LED的光功率。

　　通过T3Ster对LED进行测量，我们可以在获得LED热阻的同时，也获得发光功率，光通量，色温，色坐标等数据。我们可以在不同的参考温度和前向电流条件下，测量这些LED特性值。

图4 T3Ster TeraLED测试LED的真实热阻

下图可以简单描述如何测试LED的真实热阻。

图5 光热综合测试示意图

测试方式和测试功率器件的类似，我们把LED放置在TeraLED中，让积分球工作，同时加载一个恒定的大电流，LED开始发光同时也温度梯度升高，并逐步稳定。稳定后用1uS的切换速度，切换成感应电流，并以1uS的采样速度，采集电压的参数，通过测试好的K系数，换算成时间和温度的关系，这时积分球会记录该LED在这个电流下的发光功率，光通量，色温，色坐标等全部数据，我们可以用耗电功率减去发光功率，就能算出发热功率，并可以解析出该LED的结构函数，从而得到真实热阻。改变不同的电流，重复测试，会得到不同的测试数据，但是我们发觉其真实热阻是具备可重复性的（如图3右上的结构函数曲线所示）。

高精度测试可以为我们的热设计提供有力的支撑，但由于测试需要设备和时间，如果边界条件（比如环境温度）改变，我们需要重新测试，这样投入就太大了，为了减少研发工作中的测试量，我们可以使用硬件测试和软件仿真相结合这种联合热设计的方式，FloEFD针对T3Ster/TeraLED有仿真接口，可以直接导入并使用硬件的测试数据来进行仿真，这样可以得到精度非常高的仿真结果。