一种LED散热模块总热阻测量方法及测量系统

摘要

本发明公开了一种LED散热模块总热阻测量方法及测量系统，而提供一种方法简单、实用性强的测量方法及系统。该系统包括LED散热模块、环境模拟试验箱、温度记录仪和电源控制系统。环境模拟试验箱内有进口风压稳流室、测试风道和出口风压稳流室，测试风道与进口风压稳流室和出口风压稳流室连通；与进口风压稳流室相应的箱体上有空气进口，空气进口处有空气流驱动装置和空气加热装置；与出口风压稳流室相应的箱体上有空气出口；测试风道内有空气温度测试点，测试风道内有LED散热模块，LED散热模块的测温参考点和空气温度测试点处有测温探头，每个测温探头的温度信号输出端与温度记录仪的一路热电偶线连接。该系统操作简便，所得数据有效可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及LED性能测试技术领域，特别是涉及一种LED散热模块总热阻 测量方法及测量系统。

背景技术

大功率LED拥有低功耗、长寿命、体积小、响应迅速等一系列显著的性能 优势，随着其在多个照明领域的广泛应用，LED灯具已成为一种有望替代白炽灯、 荧光灯和卤素灯等传统光源的新型照明产品。由于LED的散热能力可直接影响 其性能指标、使用寿命和工作可靠性，因此，LED散热性能的分析至关重要。

在LED散热性能分析中，总热阻数值的大小能客观衡量不同灯具结构及工 况下的散热能力，通常被视为一项关键的测量指标。

目前，LED散热性能测量的散热模块为由多颗LED组成的散热模块，其总热 阻的测量原理及步骤为：首先，根据LED结温与测试电压间具备良好线性关系 的特点，测得同批次的单颗LED的电压温度系数K；然后，在散热模块中选定一 颗LED为代表样品，并切断代表样品两端的电路板连线，以假负载连接原有电 路，而代表样品则连接测试端口；以相同的电流驱动原有电路和代表样品，并 通过电压温度系数K，由LED代表样品工作时的测试电压反推测得其结温数据 T_J；达到最终稳态时，由已知的环境温度T_A、LED颗数N和代表样品发热功率Q_single， 通过下式计算得到LED芯片至环境间的总热阻值R_J-A：

$R_{J-A}=\frac{T_J-T_A}{N·Q_{\sin \mathrm{gle}}}=\frac{T_J-T_A}{N·\eta ·P_E}=\frac{T_J-T_A}{N·\eta ·V_F·I_F}$

式中，LED代表样品的发热功率Q_single近似等于输入电功率P_E(驱动电压V_F和电 流I_F的乘积)的0.7-0.9倍，即η=0.7-0.9。

然而，上述方法的实施存在以下缺点：(1)原有电路板连线受到了难以修 复的破坏；(2)假负载通常为电阻元件，其工作特性与LED的差异很大，并不 能补偿原有电路的变化；(3)LED代表样品仅为一颗，由于稳态温度场并非均匀 分布，因此LED代表样品选定位置的不同往往会表现出不同的芯片结温，其仅 能代表所处位置的结温情况；(4)单颗LED的发热功率Q_single应等于输入电功率 P_E与发光功率P_L的差值，而上述方法单纯地把热功率近似等于电功率的0.7-0.9 倍，且具体倍率的设定存在较大的随意性，必然引入较大的测量误差；(5)不 能大范围调节环境温度和空气流速等关键影响参数，往往仅限于室温下的自然 对流情况，测试条件和所得结果较少，不便进行后续影响趋势的分析；(6)具 备总热阻测量能力的实验设备大多属于高值精密设备，使用者需经过长时间培 训方能准确操作。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种测量方法简 单、实用性强的LED散热模块总热阻的测量方法。

本发明的另一个目的是提供一种操作简便的LED散热模块总热阻的测量系 统。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种LED散热模块总热阻的测量方法，包括下述步骤：

（1）将与待测LED散热模块中的LED灯珠生产批次相同的LED标定样品制 成散热模块，设定LED标定样品的电压温度系数为确定LED标定样品时测量并 计算得到的电压温度系数平均值，测量LED标定样品在不同驱动电流I_F下的输 入电功率P_E随LED标定样品结温T_J1变化的对应数据和发光功率P_L随LED标定样 品结温T_J1变化的对应数据；所述LED标定样品散热模块的结构与所述待测LED 散热模块结构相同；

（2）根据单颗LED灯珠的发热功率与输入电功率和发光功率之间的关系得 到LED标定样品的发热功率Q_single1随LED标定样品结温T_J1变化的对应数据，并 线性拟合出LED标定样品在每一驱动电流I_F下以LED标定样品结温T_J1为变量的 LED标定样品的发热功率Q_single1的近似计算公式：

Q_single1=A×T_J1+B   （1）

公式（1）中：A为发热功率随LED结温变化系数，B为发热功率随LED结 温变化常数；

（3）将步骤（1）中组装的散热模块中的散热器取下，以与步骤（1）中相 同的驱动电流I_F分别测量LED标定样品测温参考点温度T_R1随LED标定样品结温 T_J1变化的对应数据，并线性拟合出每一驱动电流I_F下以测温参考点温度T_R1为变 量的LED标定样品结温T_J1的近似计算公式：

T_J1=C×T_R1+D   （2）

公式（2）中：C为LED结温随测温参考点温度变化系数，D为LED结温随 测温参考点温度变化常数；

（4）针对由N颗相同生产批次的LED待测样品制成的所述待测LED散热模 块，以与步骤（1）中相同的驱动电流I_F驱动所述待测LED散热模块中的LED 待测样品，在保持风速u及环境温度T_A一定的条件下，测量每个驱动电流I_F下 每颗LED待测样品与LED标定样品相同位置测温参考点的温度T_R2；根据公式（2）， 以每颗LED待测样品测温参考点的温度T_R2代替公式（2）中的LED标定样品测温 参考点温度T_R1，计算得到在不同驱动电流I_F下每颗LED待测样品的结温T_J2，并 计算在每个驱动电流I_F下N颗LED待测样品的平均结温根据公式（1），将 公式（1）中的LED标定样品结温T_J1用N颗LED待测样品的平均结温代替，计 算得到在每个驱动电流I_F下的N颗LED待测样品的平均发热功率

（5）最终，根据公式（3）计算得到LED待测样品散热模块总热阻R_J-A:

$R_{J-A}=\frac{{\bar{T}}_J-T_A}{N·{\bar{Q}}_{\sin \mathrm{gle}}}---\left(3\right).$

所述LED标定样品通过下述方法确定：选用任意抽取的与所述待测LED散 热模块中的灯珠生产批次相同的多颗LED灯珠，分别测量每颗LED灯珠的电压 温度系数K，计算多颗LED灯珠的电压温度系数K的平均值，选用与电压温度系 数K平均值最接近的一颗LED灯珠作为LED标定样品。

一种LED散热模块总热阻测量方法的测量系统，包括LED散热模块、环境 模拟试验箱、温度记录仪和电源控制系统，所述环境模拟试验箱包括底座和箱 体，所述底座和箱体之间密封安装；所述环境模拟试验箱内部设置有进口风压 稳流室、测试风道和出口风压稳流室，所述测试风道分别与所述进口风压稳流 室和出口风压稳流室连通；与所述进口风压稳流室相应的所述箱体上设置有空 气进口，所述空气进口处安装有空气流驱动装置和空气加热装置；与所述出口 风压稳流室相应的所述箱体上设置有空气出口；所述测试风道内部空气流动上 游处设置有空气温度测试点，所述测试风道内部空气流动中下游处安装有所述 LED散热模块，所述LED散热模块的测温参考点和空气温度测试点处分别安装有 测温探头，每个所述测温探头的温度信号输出端分别与所述温度记录仪的一路 热电偶线连接；所述测试风道上设置有风速采样口，所述风速采样口通过硬质 管道与所述风速测量装置连接；所述电源控制系统包括LED驱动电源、空气流 驱动电源和加热驱动电源，所述LED驱动电源、空气流驱动电源和加热驱动电 源均为具有调节和显示驱动电流及驱动电压功能的独立电源。

所述温度记录仪的数据输出端通过数据线与用于数据输入和计算及显示的 计算机连接。

所述LED散热模块安装于样品承载腔内填充的保温材料的上表面，且仅有 所述LED散热模块中散热器露出在所述测试风道中。

所述样品承载腔的侧壁上分别设置有用于所述温度记录仪的热电偶线和 LED驱动线穿过的穿线孔。

所述LED散热模块包括一颗或多颗LED灯珠、电路板和散热器，每颗所述 LED灯珠经回流焊接在所述电路板上的串联电路中，所述电路板固定安装于所述 散热器表面，所述电路板与所述散热器之间设置有导热介质填充层，每颗所述 LED灯珠的底座紧邻点处为测温参考点。

所述箱体由有机玻璃材料粘接而成。

所述空气流驱动装置为风扇，所述空气加热装置为螺旋状缠绕的电阻丝， 所述风速测量装置为风压表。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的测量方法中，LED待测样品所在的电路板无需破坏而接入假负 载，通过预先测量并拟合出的不同驱动电流下发热功率、芯片结温分别与测温 参考点温度的近似计算公式，仅仅以易于测得的测温参考点的温度就可以合理 确定所有LED的芯片结温和平均发热功率，保证了总热阻测量数值的准确性。 而且，测量方法简单，实用性强。

2、本发明的测量系统操作简便，结构简单，成本低。

3、本发明的测量系统具备LED驱动电流、空气流速和环境温度等关键影响 因素的稳定调节功能，测得对应工况下所有LED芯片的平均结温和散热模块总 热阻随时间的变化数值，便于考察各种关键影响因素对散热模块总热阻的影响 趋势。

4、本发明的测量系统所得实验数据有效可靠，展现的客观规律有助于对散 热设计与分析方法的学习和理解。

附图说明

图1为所示本发明LED散热模块总热阻测量系统的示意图；

图2为所示图1中LED散热模块的结构示意图；

图3所示为图1中环境模拟试验箱的结构示意图；

图4所示为LED标定样品在9种不同驱动电流下输入电功率随结温变化的 数据散点图；

图5所示为LED标定样品在9种不同驱动电流下发光功率随结温变化的数 据散点图；

图6所示为LED标定样品在9种不同驱动电流下发热功率随结温变化的数 据散点图；

图7所示为LED标定样品在9种不同驱动电流下结温随测温参考点温度变 化的数据散点图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

（1）LED灯珠电压温度系数的测量

任意提取与待测LED散热模块中生产批次相同的4颗LED灯珠，分别置于 SSP8810-S型LED光色热电性能综合测试仪（此后简称：SSP8810-S型测试仪） 的控温台上，以10mA的测试电流分别得到控温台处于低温T_l和高温T_h时LED 的正向测试电压V_l和V_h，进而通过式(1)计算出LED器件的电压温度系数K。具 体数据见表1所示。

$K=\frac{V_h-V_1}{T_h-T_1}\text{---}\left(1\right)$

表1LED灯珠的电压温度系数

灯珠编号 K₁(mV/℃) K₂(mV/℃) K₃(mV/℃) K₄(mV/℃) 1 -2.2513 -2.2534 -2.2534 -2.2555 2 -2.2940 -2.2451 -2.2451 -2.2451 3 -2.3024 -2.2436 -2.2457 -2.2478 4 -2.2762 -2.2439 -2.2503 -2.2374

由表1可以看出，每颗LED灯珠均会测得4个K值，共4组数据。然而， 在后续的热、电、光参数测量中仅需要设定唯一的K值。为了保证系数K设定 的准确性，最终取其平均值-2.2556mV/℃，并且1号LED灯珠更接近该平均值， 因此，以1号灯珠作为LED标定样品。

（2）LED标定样品关键物理参数的测量与关系式拟合

将LED标定样品、与待测LED散热模块相同材质的电路板和散热器组装成 一个小型散热模块，组装方法与待测LED散热模块相同。并置于SSP8810-S型 测试仪的积分球中。待设定了-2.2556mV/℃的K值后，在200mA至600mA范 围内，以50mA的间隔分别设定驱动电流并实施测量。每次测量的通电时间为 50min，采样间隔3s。最终测得的9组结温及电功率、光功率数据如图4和图 5所示。图中自下而上分别为200mA、250mA、300mA、350mA、400mA、450mA、 500mA、550mA、600mA的数据。图中，T_J1表示LED标定样品结温，P_E表示输 入电功率，P_L表示发光功率。

由于单颗LED的发热功率Q_single并不能通过SSP8810-S型测试仪直接测得， 而需要以图4中的输入电功率P_E与图5中的发光功率P_L的差值加以表示:

Q_single=P_E-P_L   (2)。

按照此方法处理数据后，得到LED标定样品在9种不同驱动电流下发热功 率随结温变化的数据散点图如图6所示。

由图6可以看出，每一驱动电流下的数据散点分布呈现近似的线性关系， 因此在Origin软件中使用“Fit Linear”功能，最终拟合得到了9个发热功率 与结温的近似关系式，用A为发热功率随LED结温变化系数，B为发热功率随 LED结温变化常数，记为Q_single1=A×T_J1+B，测试结果分别为：

Q_single1＝-1.66908·T_J1+1817.8157,(I_F＝600mA)   (3)

Q_single1＝-1.58846·T_J1+1643.6857,(I_F＝550mA)   (4)

Q_single1＝-1.35896·T_J1+1465.5940,(I_F＝500mA)   (5)

Q_single1＝-1.20836·T_J1+1295.5245,(I_F＝450mA)   (6)

Q_single1＝-0.96694·T_J1+1126.9069,(I_F＝400mA)   (7)

Q_single1＝-0.87238·T_J1+967.64089,(I_F＝350mA)   (8)

Q_single1＝-0.73189·T_J1+808.04302,(I_F＝300mA)   (9)

Q_single1＝-0.50099·T_J1+650.67716,(I_F＝250mA)   (10)

Q_single1＝-0.37042·T_J1+507.24788,(I_F＝200mA)   (11)。

（3）LED标定样品结温与测温参考点温度的测量及关系式拟合

首先，将步骤（2）中组装的小型散热模块中的散热器取下，并将温度记录 仪中的热电偶温度探头固定在LED标定样品底座旁边的与待测LED散热模块位 置相同的测温参考点位置上，再置于SSP8810-S型测试仪的控温台上，并选择 “稳态结温测试”模式。由SSP8810-S型测试仪提供的驱动电流分别设置为与 步骤（2）中对应的9个驱动电流相同，且每个电流下均分别设置11种控温台 温度，每次测量的通电时间设为4min以使最终的温度处于稳态。通过SSP8810-S 型测试仪测得LED标定样品的结温T_J1与温度记录仪同时测得的测温参考点温度 T_R1之间的对应数据如图7所示。

由图7可以看出，每一驱动电流下的散点分布同样呈现近似的线性关系， 因此再次采用“Fit Linear”功能拟合出9个结温与测温参考点温度的近似关 系式，C为LED结温随测温参考点温度变化系数，D为LED结温随测温参考点温 度变化常数，记为T_J1=C×T_R1+D，测试结果分别为：

T_J1＝0.96107·T_R1+20.78313,(I_F＝600mA)   (12)

T_J1＝0.95426·T_R1+19.48485,(I_F＝550mA)   (13)

T_J1＝1.0796·T_R1+12.5101,(I_F＝500mA)   (14)

T_J1＝1.00548·T_R1+14.49903,(I_F＝450mA)   (15)

T_J1＝1.11135·T_R1+8.97139,(I_F＝400mA)   (16)

T_J1＝1.12323·T_R1+7.49332,(I_F＝350mA)   (17)

T_J1＝1.19246·T_R1+4.28608,(I_F＝300mA)   (18)

T_J1＝1.42896·T_R1-4.64882,(I_F＝250mA)   (19)

T_J1＝1.43115·T_R1-6.36309,(I_F＝200mA)   (20)。

（4）将N=6颗与LED标定样品生产批次相同的LED待测样品制成散热模块， 以与步骤（2）中对应的9个驱动电流分别驱动待测LED散热模块中的LED待测 样品，在保持风速为1.85m/s及环境温度为25±1.0℃的条件下，测量每个 驱动电流下每颗LED待测样品与LED标定样品相同位置测温参考点的温度T_R2， 得到最终稳态时的具体数据见表2所示。

表2LED散热模块测温参考点的温度

根据公式（12）-（20），将公式（12）-（20）中的LED标定样品测温参考 点温度T_R1用LED待测样品测温参考点温度T_R2代替，计算得到在不同驱动电流 I_F下每颗LED待测样品不同驱动电流下的结温T_J2，并计算在每个驱动电流I_F下 N颗LED待测样品的平均结温，得到的具体数据见表3所示。

表3LED散热模块的芯片结温

根据公式（3）-（11），将公式（3）-（11）中的LED标定样品结温T_J1用N 颗LED待测样品的平均结温代替，计算在每个驱动电流下的N颗LED待测样品 的平均发热功率得到的具体数据见表4所示。

表4LED散热模块的平均发热功率

（5）最终，根据公式（21）计算得到LED待测样品散热模块总热阻R_J-A：

$R_{J-A}=\frac{{\bar{T}}_J-T_A}{N·{\bar{Q}}_{\sin \mathrm{gle}}}---\left(21\right).$

得到的具体数据见表5所示。

表5LED散热模块的总热阻

本发明的测量方法可以采用多种结构的测量系统实现。优选本发明的测量 系统。

本发明的测量系统的示意图如图1-图3所示，包括LED散热模块1、环境 模拟试验箱2、温度记录仪4和电源控制系统，所述环境模拟试验箱2包括底座 201和箱体202，所述底座201和箱体202之间密封安装。可以采用现有技术的 密封结构，本实施例中优选倒扣结构实现密封，即所述底座201的上开口尺寸 比箱体202的下开口尺寸稍大，当箱体202的下开口倒扣在底座201的上开口 内部后，可依靠箱体202的自身重力保证箱体202的下开口边缘与底座201的 底板表面紧密接触而实现密封；当抬起箱体202，还可方便LED散热模块1的取 放以及热电偶线41和LED驱动线31的布置等操作。所述环境模拟试验箱2内 部设置有进口风压稳流室206、测试风道207和出口风压稳流室210，所述测试 风道207分别与所述进口风压稳流室206和出口风压稳流室210连通；与所述 进口风压稳流室206相应的所述箱体202上设置有空气进口205，所述空气进口 205处安装有空气流驱动装置203和空气加热装置204；与所述出口风压稳流室 210相应的所述箱体202上设置有空气出口211；所述测试风道207内部空气流 动上游处设置有空气温度测试点208，所述测试风道207内部空气流动中下游处 安装有所述LED散热模块1，所述LED散热模块1的测温参考点14和空气温度 测试点208处分别安装有测温探头，每个所述测温探头的温度信号输出端分别 与所述温度记录仪4的一路热电偶线41连接；所述电源控制系统3包括LED驱 动电源3-1、空气流驱动电源3-2和加热驱动电源3-3，所述LED驱动电源3-1、 空气流驱动电源3-2和加热驱动电源3-3均为具有调节和显示驱动电流及驱动 电压功能的独立电源。LED驱动电源3-1通过LED驱动导线31驱动LED，空气 流驱动电源3-2通过驱动导线32驱动空气流驱动装置203，加热驱动电源3-3 通过导线33驱动空气加热装置204。本实施例中，所述箱体由有机玻璃材料粘 接而成；所述空气流驱动装置为风扇，所述空气加热装置为螺旋状缠绕的电阻 丝。其中，样品的安装点位于箱体底部的测试通道的中下游区域，以使样品处 于完全发展的空气流中。

可以采用人工进行数据处理和计算，也可以采用计算机进行数据处理。当 采用计算机进行数据处理时，所述温度记录仪4的数据输出端通过数据线42与 用于数据输入和计算及显示的计算机5连接。

为了保持风速一定，另外，也可探究风速与总热阻之间的变化规律，所述 测试风道上设置有风速采样口209，所述风速采样口209通过硬质管道216与所 述风速测量装置215连接。本实施例中，所述风速测量装置为风压表。在测试 通道的中上游区域设置风压表的采集口，并可通过式将风压W_p(单位： Pa)转化成风速u(单位：m/s)。

所述LED散热模块1安装于样品承载腔212内填充的保温材料213的上表 面，且仅有所述LED散热模块1中散热器露出在所述测试风道207中。

所述样品承载腔212的侧壁上分别设置有用于所述温度记录仪4的热电偶 线41和LED驱动线31穿过的穿线孔。

所述LED散热模块包括一颗或多颗LED灯珠11、电路板12和散热器13， 每颗所述LED灯珠经回流焊接在所述电路板上的串联电路中，所述电路板固定 安装于所述散热器表面，所述电路板与所述散热器之间设置有导热介质填充层， 每颗所述LED灯珠的底座紧邻点处为测温参考点14。

空气通过风扇的驱动经空气进口205进入进口风压稳流室206，在空气进 口处通过空气被电阻丝204加热。被加热的空气经过进口风压稳流室后，进入 测试风道207，空气依次经过空气温度测试点208、风速采样口209和LED散热 模块1，随后进入出口风压稳流室210，通过第二稳流后的空气最终从空气出口 211流出环境模拟试验箱2。空气温度测试点208的测温探头检测到空气的温度 和测温参考点14处的测温探头检测到的LED散热模块的温度信息通过热电偶线 送到温度记录仪4，温度记录仪4将相关数据送到计算机5中进行计算，从而得 出总热阻数值。依次通过单独改变LED的驱动电流、空气流速和环境温度等关 键影响因素的设定值，分别得到最终处于稳态下的LED结温和散热模块总热阻 R_J-A的变化趋势。

本发明的测量方法首先在SSP8810-S型测试仪中测得单颗LED的各种关键 物理变量随结温的变化数据，并通过数值拟合处理，得到不同驱动电流下单颗 LED的发热功率、芯片结温分别与测温参考点温度的关系计算式；在此基础上， 设计并搭建出一套可实现LED散热模块总热阻测量的系统，其测量硬件包含有 数台易得的实验设备，而数据的处理与存储则由计算机加以实现；最终，通过 该系统测得了LED结温和散热模块总热阻随LED驱动电流、空气流速和环境温 度等关键影响因素的变化趋势。本系统操作简单，成本低廉，所得实验数据有 效可靠，展现的客观规律有助于对散热设计与分析方法的学习和理解。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。