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1、余彬海等:一种计算大功率LED光源模块器件结温的方法①一种计算大功率LED光源模块器件结温的方法余彬海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
2、模块,大功率LED件结温计算方法对于评估光源模块的制造质量和使0 引言用寿命具有重要意义。本文围绕大功率LED光源目前世界上一般1W级商品化的功率LED的光模块,首先研究各器件之间热交互的相互影响,建立通量不超过30lm,而一只商品化的5W白光LED的基于热阻矩阵的多LED光源模块器件结温计算公[1]光通量最大不超过120lm。因此,用LED作为照式;然后以一个由5只1W大功率器件组成的光源明光源一般是采用模块的形式,即将多个LED安装模块为例,演示如何通过测量器件的正向工作电压在一个线路板上;为了使光源模块具有较好的热导计算热阻矩阵,进而计算各器件的结温。特性,以及与
3、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1LED光源模块器件结温计算焊盘,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图1是一个LED光源模块的结构示意图。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、[2,3]器件寿命、可靠性、发射波长等,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
4、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、准图1 一般光源模块示意图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对于LED光源模块来说,每只功率LED点亮时简便方法,该方法没有考虑光源模块中各器件之间都是一个热源,热量传递的最主要形式是热传导,而的相互热传导影响。在实际评估光源模块器件结温对流换热和辐射换热起的作用较小。因此,在本文中,也可以采用红外测温仪测量器件结温,但用于中我们只研究导热这种热量传递方式,忽略对流换LED温场测试的红外测温仪价格很高,一般的LED热和辐射换热的影响。首先考查光源模块上
5、只有一光源模块企业和半导体照明灯具生产企业难以购只功率LED,如图2所示。由于模块上只有一个热置。因此研究一种简便实用、精度高的光源模块器①863计划(2004AA001034)资助项目。②男,1965年生,博士后,高工;研究方向:半导体发光器件,半导体照明技术,器件可靠性;联系人,E2mail:bhaiyu@21cn.com(收稿日期:2004212228)—49—高技术通讯 2005年9月第15卷第9期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
6、)～(7),则有:Tj1R11R12P1Ta=+(8)Tj2R21R22P2Ta图2 一个功率LED构成的光源模块 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。通过这个公源,LED结温与热阻、热功率的关系如下:式,只要建立起对象的热阻矩阵,我们就可以十分简Tj=Rja×(Pi-Po)+Ta(1)单方便地计算和评估模块上各个LED的结温了。式中Tj———LED的PN结温;Rja———从PN结到环类似地,我们可以得出一个N个LED组成的光源模境之间的热阻;Pi———LED的输入功率;Po———LED块的各LED结温的计算公式:的光功率;T
7、a———环境温度。Tj1R11⋯R1nP1Ta我们再以2个LED组成的光源模块为例进行…=…………+…(9)分析。当光源模块上有2只以上的功率LED时,根TjnRn1⋯RnnPnTa据导热的热量传递方程,热流量会从温度高的位置[5]向温度低的位置扩散,因此当一只LED工作时,2 算法应用与分析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工作而下面以国星光电公司的FS2LSW501W光源模块2#LED不工作时,设稳态时1#LED的PN结温为为例,演示如何利用公式(9)计算光源模块上各LEDTj11,
