LED内部热阻的定义及其对商品结温的影响

尽管LED与传统照明相比具有卓越的功效，但LED仍然很热。由于过热是导致不希望的影响的原因，例如色度偏移或更糟，灾难性故障，热管理是固态照明(SSL)设计的重要方面。

对于一组给定的工作条件，LED的内部热阻主要决定器件的热度以及达到峰值温度的速度。更大的内部热阻导致更快的温升和更高的峰值温度。

热管理的重要性

LED中的主要热源来自构成器件的p型和n型半导体材料之间的结。该热量是结点处或附近的电子和空穴复合的副产物。理想地，重组导致光子离开LED并有助于整体照明，但是通常光子在模具中被重新吸收，从而产生热量。在器件工作时发生的LED晶格的微小振动也会升高温度。尽管LED与传统光源相比具有很高的功效，但应用于该设备的约70%至80%的电能仍然转换为热而不是光。

因为LED结很小，所以能量很小密度高，温度迅速上升。现代芯片的结温(TJ)升至100 o C及以上并不罕见，尽管现代LED比旧设备更坚固，但在高温下长时间操作是不希望的。限制结温可降低色度漂移并延长寿命。

对于给定的一组操作条件(例如正向电压/电流，照明灯具中LED阵列的密度和典型的环境温度)工程师可以计算LED的结温，并设计一个热管理系统，从芯片中提取热量并将其安全地散发到周围环境中。

现代芯片设计有导电热路径，将热量从结点引导至“焊点”。焊点是LED接触PCB的部分，通常连接到PCB的散热层。 PCB和/或独立散热器。

图1 ：现代LED设计用于将热量传导到焊点，然后传导到周围的环境t通过PCB。 (由美国能源部提供)

LED制造商热衷于帮助客户克服热管理挑战。图2(a)和(b)显示了欧司朗的TOPLED和DRAGON LED系列设计的路径如何将热量传导到焊点。

图2(a)和(b)：欧司朗的TOPLED(左)通过其中一个封装引线散热，而该公司的DRAGON LED使用散热器。 (欧司朗提供)

某些LED封装在散热方面优于其他LED封装，每种LED封装的性能均由器件的内部热阻(Rth)表示。内部热阻是决定LED结在给定的一组工作条件下会变热的基本质量。了解热阻使工程师能够计算出他或她的设计中使用的LED的结温，以确保它不会超过芯片制造商建议的最大限制。

定义热阻

LED的内部热阻定义为：

其中RthJS = LED封装从结点到焊点的热阻， TJ如前所述，TS =焊点温度，Q =耗散功率。

实际上有两种形式的内部热阻：电阻热和“实际”热阻。不同之处在于如何定义Q，耗散功率。电热阻将Q定义为供电电功率(即正向电压x正向电流)。相反，实际热阻将Q定义为：

其中Pel =供电，Popt =提供光功率。

实际热阻方程也可写为：

其中ηLED= LED光学效率。

主要LED制造商更愿意列出其数据表中的实际热阻(尽管有一些例外，因此工程师应该谨慎)。

由于现代LED封装中芯片不易接近，几乎不可能直接测量LED的结温，但测量焊点的温度并使用公式中的光谱数据实际热阻可以使工程师推断其温度。

定义热阻的公式(见上文)可以重新排列为：

当前高性能白光LED(如OSRAM的OSLON SSL LED)的数据表显示：

OSLON SSL LED的最大推荐结温为135°C因此，在这些条件下，器件在其极限范围内运行良好。

降低热阻

降低LED封装的内部热阻可以更容易地从器件中提取热量并降低温度给定工作条件下的结温。或者，低热阻允许工程师在不超过最大结温的情况下更硬地推动其器件。这提供了几个优点，例如在给定输出下需要更少的LED，降低成本和设计复杂性。

制造商在降低产品的耐热性。例如，欧司朗上一代产品的内部热阻为36至40 C/W，而现代芯片如公司的Golden DRAGON Plus(71 lm/W [350 mA，3.2 V]设备)则为6.5 C/W 。

Cree提供一系列具有低内部热阻的LED。例如，该公司的XLamp XP-L高强度LED(113 lm/W [1.05 A，2.95 V])的内部热阻为2.5 C/W.

同样，Lumileds，首尔半导体和东芝也提供有竞争力的设备。例如，Lumileds的LUXEON Z ES芯片(97 lm/W [700 mA，2.8 V])的内部热阻为3 C/W(见图3)。 Seoul Semiconductor提供Z5-M1大功率LED(140 lm/W [350 mA，2.95 V])，内部热阻为4.5 C/W.东芝提供TL1L3(129 lm/W [350 mA，2.85 V])，其内部热阻为5 C/W.

图3：Lumileds LUXEON Z ES的内部热阻为3 C/W.