LED散热模块总热阻测量与分析系统
1. 实验系统的作用
大功率LED拥有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,已成为一种有望替代传统光源的新型照明产品。然而,与近年来半导体照明产业的迅速崛起相比,对口专业的技术人才总量供给不足,高层次技能型人才更是严重匮乏,特别是对于即将开工投产的企业,人才的短缺问题已成燃眉之急。此外,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散热性能的测量与分析至关重要。为了解决□ 这一LED产业化发展中的瓶颈问题,在数十所已设立光源与照明相关专业的高校中均开△设了LED散热相关的课程,以培养学生散热设计与分析理论知识与应用能力。
光源与照明专业作为新开设的LED相关本科专业,在课程学习方面需要大量的实验操作以辅助理论学习,而在实验和●实践教学方面,目前从市面上很难购得适合学生使用的设备,同时与之相近的工程热物理等专业在实验对象、理论原理与分析方法上存在很大不同,其实验体系并不能应用在本专业。
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,实验室测量LED热阻是利用LED光色热电参数综合性能测试系统,其原理是利用结温与测试电压间良好的线性关系(电压温度系数),在不改变LED结构的情况下较准确地同时测得单颗LED的结温、输入电功率和发光功率。然而,在测试由多颗LED组成的灯具模块时,则需预先将选定的单颗待测LED从电路中断开,并以假负载连接原有电路,这样一来PCB板将遭受破坏,且假负载的电热特性对其它LED的影响也并不可知;再者,系统配备的积分球不能满足本实验对象发光功率的▓测试需求,且测温探头无法置于密闭的积分】球内而不能得到真实的环境温度;该设备属于高值精密设备,使用者需经过长时间培训方能准确操作,限制了其用于学生实验的普及程度。
为了弥补现有测试方法的不足,本团队设计开发出一套可实现LED散热模块总热阻测量与分析的学生实验系统,能通过改变LED驱动电流、空气流速、环境温度和散热器结构参数等关键影响因素,获取LED结温和总热阻的变化趋势,加深学生对散热设计与分析方法的学习和理解,提高实际动手和思考能力,培养创新意识,满足LED散热相关课程的实验和实践教学要求。
2. 主要部件与功能
LED散热模块总热阻测量与分析系统主要包含:LED散热∮模块样品、环境模拟箱、电源控制系统、温度记录仪和计算机(含自编数据处理软件)等几个部分。
其中,LED散热模块样品以CREE公司生产的XLamp 7090XR-E型LED器件为光源,能适应200 mA~1000 mA大范围的电流变化,使单颗LED对应的电功率覆盖了0.6 W~3.7 W,因此选择此款LED,只需通过电源控制系统调节LED的驱动电流,就可以得到一系列变化分明且稳定的工作状态,从而提高各种工况下进行测量与分析的准确度。此外,实验系统提供了5种不同结构类型和尺寸的铝合金散热器,能用于探讨相同工况下不同散热器结构参数对总热阻的影响趋势。
环境模拟箱采用透明亚克力材料制得,方便观察内部运行情况,且具有很好的空气密封性和绝热能力。环境模拟箱主要是模拟出LED灯具安装使用的现实环境,能提供0 m/s~10 m/s的空气流速,以及室温~45℃的环境温度,且通过电源控制系统的功率调节,均能实现无级式连续调控。空气流速的数值,可通过风压表的示数经过简单换算即可得出。
温度记录仪6个热电偶探头固定在6颗LED的底座内侧,2个探头固定在测试通道的上游区域,分别负责采集测试通道内的环境温度和实验样品的参考点温度,并通过串口线将测试数据传至计算机中,进而通过为本实验系统专门开发的一款自编应用软件,对相关测量数据进行实时处理和存储,并进行单因素影响趋势的数据分析。
LED散热模块总热阻测量与分析系统的主要功能可归纳为:
(1) 针对同一批次的LED样品,读取由SSP8810-S型测试仪测得的标定数据,绘制不同驱动电流情况下各关键物理量之间的变化曲线,并拟合出相互间的关系计算式,从而形↘成待测LED样品的标定数据库。
(2) 可方便更换5种不同结构类型和尺寸的铝合金散热器,并通过调整设定成不同的工作条件,如:驱动电流(200 mA~1000 mA)、空气流速(0 m/s~10 m/s)、环境温度(室温~45℃),从而探讨各种情况对散热性能的影响趋势。
(3) 以设定的时间间隔实时采集测量节点的温度数据,进而自动计算并实时显示芯片结温、总热阻等各种关键物理量的数值随采样时间的变化曲线。
(4) 自动判定每一次测量过程是否达到了热平衡,并能够「将测量过程及计算结果的数据,以固定◥的格式保存在规则命名的测量数据文件中,使用户仅从文件名中就可了解各自的测量条件。
(5) 可选择已保存的测量数据文件,重现绘制和查看各采样通道的温度、各关键物理量数值随采样时间变化的数据曲线。
(6) 针对相同LED灯珠所建立的测试项目,在设定可变单因素种类和固定因素数值后,能够以芯片结温和系统热阻为双纵轴,绘制出单因素对比分析数据图,以供使用者进行直观分析。
作品名称:LED散热模块总热阻测量与分析系统
学校或单位:天津工业大学