1W的LED灯讲解

LED的结温

接触大功率LED已经很多年了，最近因为和日本日亚打交道，我又发现了一个可能被忽视的事实。那就是LED核心结温对光通量的影响是巨大的。我们通常说，CREE XML2 U2级是在700mA电流下发出300-320Lm 光通量,于此对应，U2 bin 的最大光通量对应的是3000mA时约是1070lm,因此很多玩家说满载的U2光通量达到1100流明。我们这些DIY卖家都这样标称自己的产品，当然了，某些淘宝卖家号称2000流明的也有在此不讨论。

但是上述标称必须有一个前提，那就是LED结温是25度。CREE的规格书也是写的在25摄氏度下的光通量。但是，显而易见，咱们手电上用LED的主动散热方案，怎么降温也不可能让LED在25度下工作的。一般如果达成热平衡后，外壳都有40度以上的温升。那么，外壳就有60度了，那么，LED核心的结温是多少呢？我认为不低于100度。

那么，100度和25度结温下，LED光通量到底有多大区别？请看日本人做的模型。这一点我还是很佩服日本人的，做事很谨慎，严谨。他们标称的光通量都是对应实际结温的。

请看上表是2种规格的LED，在25度结温时候，2000毫安电流下的光通量分别达到535和406流明。再看下表，120度结温情况下的：

在120摄氏度的结温的情况下，2000mA下最大光通量已经下降为431和328流明。

经过对比，我们可得知，在120度时候，2000mA电流下的光通量已经下降到25摄氏度的431/535*100%=81.3%, 328/406*100%=80.7%.

因此,实际上,在手电上使用的时候,我们得到的光通量可能只有标称值得80%! 这一事实可能长期为大家忽视,标称1000流明的LED,最终使用时候可能只有800流明.以此类推.

对比不同结温下的数值,也可以得到LED光通量和结温温度的线性关系,那就是其他条件相同时,核心结温越高,光通量越

低.这让我们除了应该知道手电应该尽可能做好散热以延长LED寿命以外,我们还应知道,降低LED工作温度也可以提高光通量.这就是效率问题了.

这个事是我在开发高显色手电时候发现的,为尽可能降低核心温度,我们在LED基板上努力挖掘了一下子,上了热电分离的基板.目前刚刚做了几千个,因为厂家下料时候搞错了,我定的20mm基板被他们给做成了铝的，而16mm就是铜的。我们也正在对两种材料进行对比。

结温指半导体元件内部的温度。在led 中是指芯片内发光层(pn结间设置多重量子阱构造的位置)的温度。LED芯片的发光层在点亮时温度会上升。一般情况下,结温越高,发光效率就越低。LED随着输入电流的增加尽管光通量会提高,但发热量会变大。由此会出现发光层的温度(结温)升高而使发光效率降低,功耗增加,从而使结温进一步上升的恶性循环。通过降低LED芯片封装及该封装安装底板的热阻,使芯片产生的热量得以散发,避免结温上升等改进,可以提高亮度。

结温为：热阻×输入电力+环境温度,因此如果提高接合温度的最大额定值,即使环境温度非常高,LED也能正常工作。例如,在白色LED中,有的LED芯片品种的可容许接合温度最高达到

+185℃。接合温度可因LED的点亮方式而大为不同。例如,脉冲驱动(向LED输入断续电流驱动,间歇点亮)LED时,结温就不容易上升,而连续驱动(向LED输入稳定电流驱动,连续点亮)LED,结温就容易上升。

芯片蓄热的话光强就会降低

白色LED配备的LED芯片的发光层在点灯过程中温度会上升。一般情况下,如果被称为结温的发光层部分的温度上升,发光效率就会降低,即使输入电力也不亮。通过降低LED芯片封装和封装底板的热阻,散发芯片上产生的热量,设法使结温不上升,能够使发光更亮。(图根据德国欧司朗光电半导体的资料制作) 如果使用提高了结温最大额定值的LED芯片,在安装使用时能够获得很多优点。例如,由于增加了输入电力,可提高输出功率。还可以缩小底板的散热片等。

測算LED結溫需要已经把LED安装到散热器里，并且是采用LED 恒流驱动器作为电源。同时要把连接到LED去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端（LED的正极和负极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。把这两个值相减，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出LED结温了。

实际上，LED多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压

为30V，电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数（10个），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的LED结温就应当是95度。

张大伟, 许键. AC-LED结温与开启电压关系测量[J]. 光学仪器,2014,36(1)1-5.

ZHANG Dawei, XU Jian. Junction temperature measurement in AC-LED using cut-in voltage[J].Optical Instruments ,2014,36(1)1-5.

AC-LED结温与开启电压关系测量

张大伟, 许键

摘要：根据交流发光二极管（AC-LED）的工作特征，提出了一种简单而精准的AC-LED结温测量方法：开启电压法。通过理论分析和实验发现，AC-LED的开启电压会随着结温的上升而下降，且两者之间有良好的线性关系，从而确认将开启电压作为温度变化参数来间接测量AC-LED的结温。实验表明，开启电压法测量结温的重复性最大误差为2.0 ℃，热阻重复性最大误差为0.6 ℃/W。经过对比分析，开启电压法得到热阻值比参考脉冲法更接近真实值。

关键词：AC-LED结温测量方法开启电压法

Junction temperature measurement in AC-LED using cut-in voltage

ZHANG Dawei, XU Jian

Abstract: At present, the measurement methods of LED junction temperature are mainly aiming at direct current LED(DC-LED), and less methods have been proposed for alter current LED(AC-LED). With regard to this fact, a novel cut-in voltage method was proposed for measuring AC-LED junction temperature. From theoretical analysis and experimental verification, cut-in voltage of AC-LED was found to decrease along with the increase of junction temperature, demonstrating a good linear relationship between the two factors. Therefore, cut-in voltage was confirmed as the temperature variation coefficient(TVC). Further analysis suggested that the repeatability error of junction temperature and thermal resistance could be narrowed down to 2.0 ℃ and 0.6 ℃/W respectively. By comparison, thermal resistance acquired from cut-in voltage method was closer to real value than that of the reference pulse method.

Key words: AC-LED junction temperature measurement methods cut-in voltage method 引言

近年来,随着LED 在设计、材料、封装技术等方面的应用，一种新的交流发光二极管(AC-LED)技术应运而生[1,2],并不断得到改善。AC-LED以其应用简便、无需变压转换器以及低成本等优点迅速发展,韩国首尔半导体公司向市场推出了AC-LED系列产品,中国台湾工研院也推出立体散热、热插拔的AC-LED[3,4]。随着AC-LED 应用范围的扩展,以前在LED 器件和其应用产品设计过程中可以忽略的问题逐渐受到重视,已有的研究重点关注于AC-LED的器件结构和光电特性,而热特性很少提及。LED PN 结的温度对LED的使用寿命、输出光强、主波长(颜色)等因素都有很大的影响。在AC-LED器件及阵列组件中,结构设计将比