LED的结温

LED的结温计算

LED的PN结结温主要影响LED光通量和寿命，本文用电压法对直插LED，食人鱼LED和大功率LED的结温和热阻进行了实验研究。在测量LED结温的同时，研究它的光谱变化，色光LED峰值波长的偏移与其结温存在线性关系，白光LED的总能量和蓝光能量比率（W/B）的变化与结温也存在线性的关系。

LED存在发热现象，随着LED的工作时间和工作电流的增加，其发光强度和光通量会下降，寿命降低，对白光还会导致激发效率的下降，这主要是由于LED结温升高导致的。对于白光LED，随着结温的增加，LED发出黄光和蓝光的强度以不同的速率下降,白光LED的总能量和蓝光能量比率（W/B）与结温存在关系。

首先对LED的结温进行研究，由此可得到LED的热阻。然后在测量结温的同时，测量LED光谱变化，可以得出LED的PN结结温与色光LED峰值波长或白光LED的白色/蓝色能量比（W/B）之间存在一定的关系。因此可以采用非接触式方法来进行结温的测量。

测量原理

LED的结温是影响发光二极管各项性能指标的一个重要因素，测量LED结温的方法可用通过测量在不同环境温度下LED的正向电压的大小来得到。实验原理如图1所示，被测LED置于积分球内，积分球放在恒温箱的中间，积分球内的光经石英光纤导入SSP3112快速光谱分析仪，可以快速测取LED的峰值波长或W/B比率。将热电偶与LED管脚紧密接触，用测温仪读取不同加热电流和不同环境温度下的管脚温度。恒温箱的温度范围为0℃-150℃，精度 1℃。PC机通过高速开关控制对LED的加热电流(IF)和参考电流(IFR)，并测量IF和IFR下的VF和VFR。

热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为T J，环境空气的温度为T A,散热垫底部的温度为T c（T J＞T c＞T A。

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面

的热阻为R JC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为R CB、P CB传导到环境空

气的热阻为R BA,则从管芯的结温T J传导到空气T A的总热阻R JA与各热阻关系为：R JA=R JC+R CB+R BA 各热阻的单位是℃/W。

可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。

如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则R CB=0，则上式可写成：R JA=R JC+R BA

散热的计算公式

若结温为T J、环境温度为T A、LED的功耗为P D,则R JA与T J、T A及P D的关系为：R JA=（T J－T A）/P D (1)

式中P D的单位是W。P D与LED的正向压降VＦ及LED的正向电流IＦ的关系为：PＤ=VＦ×I

Ｆ (2)

如果已测出LED散热垫的温度T C，则(1)式可写成：

RＪＡ=(T J－T C)/P D+(T C－T A)/P D

则RＪC=(T J－T C)/P D (3)

RＢＡ=(T C－T A)/P D (4)

在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其R JC值；当确定LED的正向

电流I F后，根据LED的V F可计算出P D；若已测出T C的温度，则按（3）式可求出T J来。

在测T C前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入I F电流，等稳定后，用K型热电偶

点温度计测LED的散热垫温度T C。

在（4）式中，T C及T A可以测出，P D可以求出，则R BA值可以计算出

来。若计算出T J来，代入（1）式可求出R JA。

这种通过试验、计算出T J方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的T J小于要求（或等于）T J max，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的T J大于要求的T J max，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。

另外，若选择的LED的R JC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且R JC值更小的大功率LED，使满足计算出来的T J≤T J max。这一点在计算举例中说明。

计算举例

这里采用了NICHIA公司的测量T C的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：LED：3W白光LED、型号MCCW022、R JC=16℃/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。

PCB试验板：双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。

LED工作状态：IＦ=500mA、VＦ = 3.97V。

按图9用K型热电偶点温度计测T C，T C=71℃。测试时环境温度T A = 25℃.

1.T J计算

T J=R JC×P D+T C=R JC（I F×V F）+T C=16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃

2.R CＡ计算

R CA=（T C－T A）/P D =（71℃－25℃）/1.99W =23.1℃/W

3.RＪＡ计算

R JA=R JC+R BA =16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W

如果设计的T J max=90℃，则按上述条件计算出来的T J不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足T J≤T J max为止。

另外一种方法是，在采用的LED的R JC值太大时，若更换新型同类产品R JC=9℃/W(I F=500mA 时V F=3.65V)，其他条件不变，T J计算为：

T J=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃=87.4℃

上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测T C（测出的值比71℃略小）。这对计算影响不大。采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其T J符合设计的要求。

LED温度问题

LED光源不能超过80℃，随着LED温度的升高，其光输出和寿命则相应降低。

表2 大功率白光LED的结温T，在亮度衰减70%时与寿命的关系