光學(xué)和熱學(xué)性能驗(yàn)證提高LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)

James Petroski表示，對(duì)LED器件的光學(xué)和熱學(xué)性能進(jìn)行快速而簡(jiǎn)便的測(cè)量，這種能力將對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程明顯會(huì)產(chǎn)生積極的影響。

LED系統(tǒng)通常會(huì)設(shè)計(jì)成在某種光譜分布下發(fā)出特定波長(zhǎng)的光。LED系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者非常倚重LED制造商提供的性能參數(shù)，如在某種光譜分布下平均每瓦所能發(fā)出光的流明數(shù)。封裝的熱性能也十分重要，當(dāng)溫度升高時(shí)光輸出下降的速率也是關(guān)鍵參數(shù)。如果實(shí)際性能與制造商提供的參數(shù)不同，系統(tǒng)集成商將不得不使用試錯(cuò)法來(lái)辨別問(wèn)題所在，并重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)以補(bǔ)償LED性能上的變化。

傳統(tǒng)測(cè)量LED性能的方法，如使用光學(xué)積分球測(cè)量光學(xué)性能，既耗時(shí)相當(dāng)長(zhǎng)，結(jié)果又需要再解讀，這會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的結(jié)果。新一代的積分測(cè)試系統(tǒng)能明顯縮短LED光學(xué)和熱學(xué)性能的測(cè)試時(shí)間。該方法將傳統(tǒng)的熱測(cè)量法與光學(xué)探測(cè)器結(jié)合起來(lái)，為大功率LED系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)和熱學(xué)性能提供自動(dòng)檢測(cè)。熱學(xué)指標(biāo)以及諸如光通量和光效等光學(xué)參數(shù)，都能通過(guò)測(cè)量得出以溫度和驅(qū)動(dòng)電流為變量的函數(shù)。

然而，想要充分挖掘LED的潛力則要求對(duì)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行變革，而近五十年內(nèi)，基本的技術(shù)沒(méi)有多大的變化。關(guān)鍵的不同點(diǎn)是，傳統(tǒng)光源浪費(fèi)的能量有90%以上都以紅外輻射的形式向外擴(kuò)散，只剩下不到5%的能量是通過(guò)熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)損耗的。與之對(duì)比LED系統(tǒng)表現(xiàn)不同，非有效能量主要以熱能的形式通過(guò)熱傳導(dǎo)從LED芯片導(dǎo)出，因此整個(gè)照明系統(tǒng)只能仰賴自然對(duì)流，以及少部分的熱輻射向外界釋放熱。針對(duì)上述不同的熱擴(kuò)散形式，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者必須學(xué)會(huì)重新考慮和設(shè)計(jì)系統(tǒng)。


照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)通常需要滿足光學(xué)、功率和成本等幾方面的要求。光學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)通常為照亮某一區(qū)域，如一個(gè)房間；或提供一個(gè)點(diǎn)光源作為聚光燈等。組成照明系統(tǒng)各獨(dú)立LED芯片的光學(xué)和功率參數(shù)直接關(guān)系到其性能。當(dāng)需要照亮某個(gè)區(qū)域時(shí)，較主要的考慮是照明系統(tǒng)發(fā)出的總流明數(shù)和能效。如果擴(kuò)大芯片間的空間距離，可以減少熱設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，但照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常需要的是點(diǎn)光源，這樣芯片間的間距就很小。功率需求反過(guò)來(lái)就主要由LED的能效來(lái)決定，其定義為每瓦輸入能量轉(zhuǎn)化為被眼睛感受到的光輸出流明數(shù)。當(dāng)然LED的光學(xué)性能也與高溫衰減非常相關(guān)，也就是當(dāng)溫度器件溫度升高時(shí)，光輸出降低的速率。

熱設(shè)計(jì)在每個(gè)LED系統(tǒng)里同樣版樣了關(guān)鍵的角色。多余的熱量會(huì)減少LED芯片的光輸出，造成色移，加速器件光輸出衰減，影響使用壽命。LED制造上通常將結(jié)溫保持在25°C時(shí)測(cè)量他們的LED芯片。但實(shí)際工作情況下結(jié)溫通常會(huì)升至60°C甚至更高，這將會(huì)造成光輸出與分揀測(cè)試時(shí)相比至少降低10%。

封裝設(shè)計(jì)，特別是封裝的熱阻，對(duì)于系統(tǒng)性能非常重要。LED芯片向外散熱的主要障礙包括不同的熱界面和半導(dǎo)體結(jié)至環(huán)境間的熱流路徑。LED芯片一般通過(guò)一個(gè)鍵合層固定在一個(gè)金屬互聯(lián)層上，然后分別是陶瓷基板和電絕緣導(dǎo)熱底板；其他的設(shè)計(jì)則在裸片下使用熱芯來(lái)導(dǎo)出熱量。整個(gè)封裝總的來(lái)說(shuō)就是為了從芯片背面導(dǎo)出熱量，從而較大限度的提高光輸出。新型、改進(jìn)的材料，如Graf Tech研發(fā)的石墨基散熱劑，可以在芯片重量、厚度和總熱量需要較小化的情況下使用，從而使得溫度均勻的分布。

全篇文章，請(qǐng)參閱《LEDs科技》2009年10月刊“光學(xué)和熱學(xué)性能驗(yàn)證提高LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)”

相關(guān)閱讀:

沒(méi)有相關(guān)新聞...