LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統(tǒng)

　　1. 實驗系統(tǒng)的作用

　　大功率LED擁有一系列顯著的性能優(yōu)勢，隨著其在多個照明領域的廣泛應用，已成為一種有望替代傳統(tǒng)光源的新型照明產(chǎn)品。然而，與近年來半導體照明產(chǎn)業(yè)的迅速崛起相比，對口專業(yè)的技術人才總量供給不足，高層次技能型人才更是嚴重匱乏，特別是對于即將開工投產(chǎn)的企業(yè)，人才的短缺問題已成燃眉之急。此外，由于LED的散熱能力可直接影響其性能指標、使用壽命和工作可靠性，因此，LED散熱性能的測量與分析至關重要。為了解決這一LED產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的瓶頸問題，在數(shù)十所已設立光源與照明相關專業(yè)的高校中均開設了LED散熱相關的課程，以培養(yǎng)學生散熱設計與分析理論知識與應用能力。

　　光源與照明專業(yè)作為新開設的LED相關本科專業(yè)，在課程學習方面需要大量的實驗操作以輔助理論學習，而在實驗和實踐教學方面，目前從市面上很難購得適合學生使用的設備，同時與之相近的工程熱物理等專業(yè)在實驗對象、理論原理與分析方法上存在很大不同，其實驗體系并不能應用在本專業(yè)。

　　在LED散熱性能分析中，總熱阻數(shù)值的大小能客觀衡量不同燈具結構及工況下的散熱能力，通常被視為一項關鍵的測量指標。目前，實驗室測量LED熱阻是利用LED光色熱電參數(shù)綜合性能測試系統(tǒng)，其原理是利用結溫與測試電壓間良好的線性關系(電壓溫度系數(shù))，在不改變LED結構的情況下較準確地同時測得單顆LED的結溫、輸入電功率和發(fā)光功率。然而，在測試由多顆LED組成的燈具模塊時，則需預先將選定的單顆待測LED從電路中斷開，并以假負載連接原有電路，這樣一來PCB板將遭受破壞，且假負載的電熱特性對其它LED的影響也并不可知;再者，系統(tǒng)配備的積分球不能滿足本實驗對象發(fā)光功率的測試需求，且測溫探頭無法置于密閉的積分球內(nèi)而不能得到真實的環(huán)境溫度;該設備屬于高值精密設備，使用者需經(jīng)過長時間培訓方能準確操作，限制了其用于學生實驗的普及程度。

　　為了彌補現(xiàn)有測試方法的不足，本團隊設計開發(fā)出一套可實現(xiàn)LED散熱模塊總熱阻測量與分析的學生實驗系統(tǒng)，能通過改變LED驅動電流、空氣流速、環(huán)境溫度和散熱器結構參數(shù)等關鍵影響因素，獲取LED結溫和總熱阻的變化趨勢，加深學生對散熱設計與分析方法的學習和理解，提高實際動手和思考能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，滿足LED散熱相關課程的實驗和實踐教學要求。

　　2. 主要部件與功能

　　LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統(tǒng)主要包含：LED散熱模塊樣品、環(huán)境模擬箱、電源控制系統(tǒng)、溫度記錄儀和計算機(含自編數(shù)據(jù)處理軟件)等幾個部分。

　　其中，LED散熱模塊樣品以CREE公司生產(chǎn)的XLamp 7090XR-E型LED器件為光源，能適應200 mA~1000 mA大范圍的電流變化，使單顆LED對應的電功率覆蓋了0.6 W~3.7 W，因此選擇此款LED，只需通過電源控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)LED的驅動電流，就可以得到一系列變化分明且穩(wěn)定的工作狀態(tài)，從而提高各種工況下進行測量與分析的準確度。此外，實驗系統(tǒng)提供了5種不同結構類型和尺寸的鋁合金散熱器，能用于探討相同工況下不同散熱器結構參數(shù)對總熱阻的影響趨勢。

　　環(huán)境模擬箱采用透明亞克力材料制得，方便觀察內(nèi)部運行情況，且具有很好的空氣密封性和絕熱能力。環(huán)境模擬箱主要是模擬出LED燈具安裝使用的現(xiàn)實環(huán)境，能提供0 m/s~10 m/s的空氣流速，以及室溫~45℃的環(huán)境溫度，且通過電源控制系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，均能實現(xiàn)無級式連續(xù)調(diào)控?？諝饬魉俚臄?shù)值，可通過風壓表的示數(shù)經(jīng)過簡單換算即可得出。

　　溫度記錄儀6個熱電偶探頭固定在6顆LED的底座內(nèi)側，2個探頭固定在測試通道的上游區(qū)域，分別負責采集測試通道內(nèi)的環(huán)境溫度和實驗樣品的參考點溫度，并通過串口線將測試數(shù)據(jù)傳至計算機中，進而通過為本實驗系統(tǒng)專門開發(fā)的一款自編應用軟件，對相關測量數(shù)據(jù)進行實時處理和存儲，并進行單因素影響趨勢的數(shù)據(jù)分析。

　　LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統(tǒng)的主要功能可歸納為：

　　(1) 針對同一批次的LED樣品，讀取由SSP8810-S型測試儀測得的標定數(shù)據(jù)，繪制不同驅動電流情況下各關鍵物理量之間的變化曲線，并擬合出相互間的關系計算式，從而形成待測LED樣品的標定數(shù)據(jù)庫。

　　(2) 可方便更換5種不同結構類型和尺寸的鋁合金散熱器，并通過調(diào)整設定成不同的工作條件，如：驅動電流(200 mA~1000 mA)、空氣流速(0 m/s~10 m/s)、環(huán)境溫度(室溫~45℃)，從而探討各種情況對散熱性能的影響趨勢。

　　(3) 以設定的時間間隔實時采集測量節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，進而自動計算并實時顯示芯片結溫、總熱阻等各種關鍵物理量的數(shù)值隨采樣時間的變化曲線。

　　(4) 自動判定每一次測量過程是否達到了熱平衡，并能夠將測量過程及計算結果的數(shù)據(jù)，以固定的格式保存在規(guī)則命名的測量數(shù)據(jù)文件中，使用戶僅從文件名中就可了解各自的測量條件。

　　(5) 可選擇已保存的測量數(shù)據(jù)文件，重現(xiàn)繪制和查看各采樣通道的溫度、各關鍵物理量數(shù)值隨采樣時間變化的數(shù)據(jù)曲線。

　　(6) 針對相同LED燈珠所建立的測試項目，在設定可變單因素種類和固定因素數(shù)值后，能夠以芯片結溫和系統(tǒng)熱阻為雙縱軸，繪制出單因素對比分析數(shù)據(jù)圖，以供使用者進行直觀分析。

　　作品名稱：LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統(tǒng)

　　學校或單位：天津工業(yè)大學