LED结温热阻计算方法详解
LED结温热阻计算方法详解
LED结温热阻计算方法详解.Ta: 环境温度Rsa：铝基散热装置的热阻、散热器与环境间的热阻Ts: 散热装置的温度. Rms：铝基板到铝散热装置的热阻Tm: 铝基板的温度. Rcm：引脚到铝基板的热阻Tc: 引脚的温度. Rjc：PN结到引脚的热阻、结壳间的热阻Rja：PN结点到环境的热阻 Tj：晶体管的结温、芯片PN结最大能承受之温度( 100-130℃)P表示功耗 Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，L50: LED光源亮度降至50%的寿命L70: LED光源亮度降至70%的寿命结温计算的过程：1.热阻与温度、功耗之间的关系为： Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja，2.当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。
此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。
一般Pcm 是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。
当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
3.以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：1)2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
2)代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。
一般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。
3)比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
4)注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。
规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。
5)我们可以用公式来验证这个结论。
假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。
电压法LED结温及热阻测试原理分析
电压法LED结温及热阻测试原理分析发布日期：2010-08-01 来源：关键字：近年来,由于功率型LED 光效提高和价格下降使LED 应用于照明领域数量迅猛增长,从各种景观照明、户外照明到普通家庭照明,应用日益广泛。
LED 应用于照明除了节能外,长寿命也是其十分重要的优势。
目前由于LED 热性能原因,LED 及其灯具不能达到理想的使用寿命;LED 在工作状态时的结温直接关系到其寿命和光效;热阻则直接影响LED 在同等使用条件下 LED 的结温;LED 灯具的导热系统设计是否合理也直接影响灯具的寿命。
因此功率型 LED 及其灯具的热性能测试 ,对于 LED 的生产和应用研发都有十分直接的意义。
以下将简述LED 及其灯具的主要热性能指标,电压温度系数K、结温和热阻的测试原理、测试设备、测试内容和测试方法,以供LED 研发、生产和应用企业参考。
一、电压法测量 LED 结温的原理LED 热性能的测试首先要测试 LED 的结温,即工作状态下 LED 的芯片的温度。
关于LED 芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。
目前实际使用的是电压法。
1995 年 12 月电子工业联合会/电子工程设计发展联合会议发布的> 标准对于电压法测量半导体结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。
电压法测量LED 结温的主要思想是：特定电流下 LED 的正向压降 Vf 与 LED 芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf 值,就可以确定该 LED 电压与温度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是mV/°C 。
K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。
K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。
为了减小电压测量带来的误差,> 标准规定测量系数 K 时,两个温度点温差应该大于等于50 度。
对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的 Vf 测量,而 LED 芯片由于温度变化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于1mV 。
led结温影响
led结温影响? 设为首页 ? | ? 加入收藏 ? | ? 网站地图 ? 首页 ? ? ? ? ? ?协会概况协会活动培训信息资质认证会员中心信息反馈您现在的位置：上海半导体照明工程技术协会>> 热点新闻>> 技术交流>>正文内容影响LED灯具结温因素的分析来源：上海合复新材料科技有限公司发布时间：2021年03月23日LED照明具有节能、环保、工作寿命长等特点，因而发展非常迅猛，发展潜力巨大。
然而半导体照明（LED）虽然比白炽灯消耗的能量低很多，但目前LED芯片在工作时光电转化率仍然不高，只有20%-30%左右，大部分能量都转换为热能；另外，驱动电源在工作中也会产生一定的热量。
通电以后，电源和LED芯片开始工作，不断产生热量，产生的热量首先传导给散热器，再由散热器将热量导出，然后通过散热器外表面通过自然对流和辐射等方式散发到环境中。
最初，产生的热量大于散出的热量，LED的结温会不断升高，经过一段时间（约1-2小时），产热、散热达到平衡，LED的结温基本保持不变。
如果LED的结温过高，会造成LED发生不可逆光衰，其寿命会降低甚至失效。
那么，影响LED 芯片结温的因素究竟有那些呢？首先LED灯具结温可由热阻公式R总=（Tj-T环）/W产推知：Tj=R总*W产+T环（式中Tj――LED结温，R总――LED芯片到环境的总热阻，W产――总的产热功率，T环――环境温度）。
从以上公式可以看出，影响LED结温的因素主要是产热、散热（热阻）和环境温度，具体地说,就是对于一个LED灯具，整体的产热功率越大、散热效果越差、环境温度越高，LED芯片的结温越高；反之，芯片的结温越低。
下面我们分别就产热、散热和环境温度对LED结温的影响加以分析。
1．产热对LED结温的影响图1 LED灯具工作示意图首先我们分析一下LED灯具的构成，一般一个直流LED灯具主要包括灯罩，灯板（包括铝基板和灯珠），散热器，驱动电源、接口等，如图1示。
LED热阻计算方法
LED热阻计算方法LED的正常工作需要一定的条件，例如合适的电流、电压和温度。
当LED工作时，会产生热量，如果热量无法及时散出，会导致LED芯片温度升高，影响其寿命和性能。
1. 确定LED芯片的参数：首先需要知道LED芯片的最大功率Pd（一般通过LED芯片的规格书可以找到），以及工作时的最高结温Tj_max。
2.计算LED芯片的热阻：LED芯片的热阻可以通过以下公式来计算：Rth(j-c) = (Tj_max - Ta) / Pd其中，Rth(j-c)为LED芯片的热阻，Tj_max为最高结温，Ta为环境温度，Pd为最大功率。
例如，如果LED芯片的最高结温Tj_max为100°C，环境温度Ta为25°C，最大功率Pd为1W，则可以计算得到：Rth(j-c) = (100 - 25) / 1 = 75 °C/W3. 确定散热器的参数：接下来需要确定散热器的热阻Rth(c-a)，这是散热器的特性参数，可以通过散热器的规格书或测试得到。
4. 计算总热阻：将LED芯片的热阻和散热器的热阻相加，即可得到总热阻Rth(j-a)：Rth(j-a) = Rth(j-c) + Rth(c-a)例如，如果LED芯片的热阻Rth(j-c)为75 °C/W，散热器的热阻Rth(c-a)为10 °C/W，则可以计算得到：Rth(j-a) = 75 + 10 = 85 °C/W总热阻越小，表示散热效果越好，LED芯片的温度升高会更低。
5. 判断散热效果：最后，可以通过比较总热阻Rth(j-a)和LED芯片的允许最高结温Tj_max，判断散热效果是否合格。
如果总热阻小于Tj_max，说明散热效果良好；反之，可能需要进行散热设计的改进，以确保LED的正常工作。
需要注意的是，以上计算方法是一个简化的计算模型，实际散热设计可能还需要考虑其他因素，如散热器材料的导热性能、附加散热装置的影响等。
LED结温测算方法
LED结温测算⽅法⽬录第⼀章电压法测量结温第⼀节电压法测算结温的理论依据第⼆节K系数的测量1. 测量K系数的原理2. 关于K系数的说明3. 测试电流⼤⼩对K系数的影响4. K系数测量⽅法5. 数据处理6. 关于器件⼚商提供K值的建议7. K系数测量误差问题第三节利⽤K系数测算结温第⼆章热阻法测算结温第⼀节热阻法测算结温的基本原理第⼆节热阻法测结温的问题1. 为什么要⽤热阻法测结温2. 热阻参考点的选择3. 器件传热状况的影响4. 温度的影响5. 热阻法测结温参考点的正确选择第三章其它测结温⽅法简介前⾔关于 PN 结温度的测量，以往在半导体器件应⽤端测算结温的⼤多是采⽤热阻法，但这种⽅法对LED 器件是有局限性的，并且以往很多情况下被错误地应⽤。
应⽤热阻法的错误之处，以及其局限性，本⼈已在⽂献【1】中有详细阐述。
本⼈认为应该摒弃热阻法。
现在出现了不少新的测结温的⽅法，但其中⼀些⽅法也许并不能很好地反映结温。
⽐如红外成像法，理论上讲这只是测量器件表⾯或芯⽚表⾯的温度，不可能测量到实际 PN 结处的温度。
光谱法则只是个别专业测试机构能够进⾏，仪器昂贵，不适于器件使⽤者⽇常⼯作。
实际上，⽆论从专业测量，还是业余测量，最简便易⾏、最准确的、最基础的，还是电压法测算结温。
热阻法其实是在电压法基础上衍⽣⽽来的。
由于现在测量显⽰精度达 1mV 的仪表很便宜，器件使⽤者完全没有必要采⽤热阻法来测算结温。
本⽂主要是介绍电压法测算结温。
也介绍了热阻法测算结温，并提出热阻法存在的问题。
最后简单介绍了⼀些其它测结温的⽅法。
本⽂介绍的电压法测算结温的⽅法，是从⼀般⼯程应⽤的⾓度来讲。
主要是为⼀般的器件⼚商和器件使⽤者提供⾃⼰测试的⽅法。
因此所述的⽅法中，使⽤的⼀些仪器不能与专业的仪器设备⽐较，但精度和准确性不⽤担⼼。
这⽅⾯只要你懂得了物理原理就明⽩了。
关键还是看具体的操作者对测试机构的设计和仪表的选择，以及操作中的精⼼程度。
大功率LED结温方法
大功率LED 结温方法GaN 基白光LED 结温测试方法1. 正向电压法(forward voltage method)原理：初始电压与初始结温符合很强的线性关系KV V T T t j 00-+= 其中T0是作为参考的环境温度,V0是在T0下的初始电压;Tj 和Vt 分别是稳定时的结温和正向电压。
系数K 可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K=(V1-V0) /(T1-T0),也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。
K 值测量测量时将LED 放置在控温烤箱中，施加小电流（10mA ），分别在不同的烤箱温度下（Ta1,Ta2）,每个温度阶段恒温30min （样品为1WLED 加散热片，如果未加散热片可另外考虑），使得结温与环境温度一致，测试过程中保持电流恒定。
测量LED 的正向电压（Vf1,Vf2）,这时可近似认为；K=(V1-V0) /(Ta2-Ta1)Rth 为热阻Rth=（Tj-Tb ）/PTb 为测试得到的基板底部的温度，P 为L E D 的耗散功率,Tb 用热电偶实时测量LED 基板底部的温度。
2. 管脚法(Pin method)原理：管脚温度法是利用LED 器件的热输运性质,通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率,以及热阻系数来确定结温p j j p j R P T T -+=*其中Tp 是管脚温度,Tj 是结温;Pj 是LED 芯片耗散的热功率;R Θj-p 是从结到管脚的热阻系数,可以由厂家给出,或者由实验确定,本实验中结合电压法测量来确定热阻系数文献中提到热阻系数由电压法测得，而电压法又会存在误差，所以此方法误差会较大一些。
3. 蓝白法（non-contactmethod for determining junction temperatur ） 原理：利用白光LED 的发光光谱分布(SPD)来测量结温,最大的优点是不需要破坏器件的整体性,是一种非接触的结温测量方法。
蓝白比R 与结温都有较好的线性关系,可通过测量光谱算得R 值,然后用下面的换 算公式得到结温：rj K R R T T 00-+= 其中T0为参考结温,Tj 是要测量的结温;R0和R 分别是结温为T0和Tj 时的蓝白比;Kr 是比例系数,可以通过测量两组不同的参考结温和蓝白比得到Kr=(R0-R1) /(T0-T1),也可以通过测量多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合。
LED散热器各部分热阻及其影响因素
⑶.产热功率的影响：同一散热器，同样环境下，实际产热功率越大，散热器的热阻反而略有减小。
所以散热器的总热阻不仅与散热器的散热面积、几何尺寸、表面材料的辐射系数等自身因素有关，还受LED的产热功率以及周围环境的对流系数等外部因素的影响，并不是一个恒定的数值。但一般来说，在自然对流情况下对流系数变化并不大，正常情况下LED产热功率的变化也不会太大，对热阻的影响应该很小。为便于分析和计算，我们在应用时可近似认为散热器的总热阻是一定的。
Q产=a.W⑵
Q导=b.s.(T1-T2)/L⑶
式中
Q产——LED工作时产生的热量
Q导——散热器本身导出的热量
T1——与铝基板接触点处散热器的温度
T2——散热器外表面平均温度
a——LED产热系数
W——为LED灯实际功率
b——散热器材料综合导热系数
s——散热器平均传热面积
L——散热器热传导平均距离
对于特定散热器b、s、L是一定的，因此公式⑶可简化为Q导=m.(T1-T2)，其中m=b.s/L，经推导可知m.(T1-T2)=a.W，因此(T1-T2)=a.W/m，带入公式⑴可知R导=a/m，由此公式可以看出对于特定散热器，在LED灯源一定的情况下，散热器的热阻是一个定值。另外，在热阻计算公式中W代表的是LED的总功率，而LED在工作中一部分功率用于发光，一部分功率转变为热能，因此既然是计算热阻，公式中的W换成产热功率(a.W)更为科学，这样R导=1/m=L/(b.s),就是说散热器本身热阻与电阻一样，是一个仅跟散热器本身参数有关的常数，它与散热器平均传热距离成正比，与散热器平均传热面积、散热器材料导热系数成反比。
LED散热器各部分热阻及其影响因素
大功率LED热阻的测量
大功率LED热阻的测量1. 原理半导体材料的电导率具有热敏性，改变温度可以显著改变半导体中的载流子的数量。
禁带宽度通常随温度的升高而降低，且在室温以上随温度的变化具有良好的线性关系，可以认为半导体器件的正向压降与结温是线性变化关系：ΔVf=kΔT j（K：正向压降随温度变化的系数）则从公式（1）及其推导可知，大功率LED的热阻（结点到环境）为：Rthja＝ΔVf /（K*Pd ）式中，Pd＝热消散速率，目前约有60％～70％的电能转化为热能，可取Pd＝0.65*If*Vf计算。
只要监测LED正向压降Vf的改变，便可以求得K值并算出热阻。
2. 测量系统热阻测试系统如图4，要求测试中采用的恒温箱控温精度为±1℃，电压精度1mv。
图中R1是分流电阻，R2用来调整流过LED的电流大小，通过电阻R1、R2和恒流源自身的输出调节，可以精确控制流过LED的电流大小，保证整个测试过程中流过LED的电流值恒定。
3. 测试过程（1）测量温度系数K：a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中足够时间至热平衡,此时Tj1= Ta ；b. 用低电流（可以忽略其产生的热量对LED的影响，如I f’ = 10mA）快速点测LED的Vf1；c. 将LED置于温度为Ta’(Ta’>Ta)的恒温箱中足够时间至热平衡，Tj2=Ta’；d. 重复步骤2，测得Vf2；e. 计算K：K＝(Vf2-Vf1)/(Tj2-Tj1)＝(Vf2-Vf1)/( Ta’- Ta)（2）测量在输入电功率加热状态下的变化：a. 将LED置于温度为Ta的恒温箱中，给LED输入额定If使其产生自加热；b. 维持恒定If足够时间至LED工作热平衡，此时Vf达至稳定，记录If ,Vf；c. 测量LED热沉温度（取其最高点）Ts；d. 切断输入电功率的电源，立即（〈10ms）进行（1）之b步骤，测量Vf3。
（3）数据处理：△Vf＝Vf3－Vf1，取Pd＝0.65*If*Vf计算：Rthja＝△Vf/（K*Pd）Rthsa＝（Ts－Ta）/Pd＝（Ts－Ta）/（0.65*IF*Vf）Rthjs＝Rthja－Rthsa。
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LED结温热阻计算方法详解.
Ta: 环境温度Rsa：铝基散热装置的热阻、散热器与环境间的热阻
Ts: 散热装置的温度. Rms：铝基板到铝散热装置的热阻
Tm: 铝基板的温度. Rcm：引脚到铝基板的热阻
Tc: 引脚的温度. Rjc：PN结到引脚的热阻、结壳间的热阻
Rja：PN结点到环境的热阻 Tj：晶体管的结温、芯片PN结最大能承受之温度( 100-130℃)
P表示功耗 Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，
L50: LED光源亮度降至50%的寿命
L70: LED光源亮度降至70%的寿命
结温计算的过程：
1.热阻与温度、功耗之间的关系为： Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja，
2.当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta
晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。
此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式
Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。
一般Pcm 是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。
当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
3.以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：
1)2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
2)代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。
一
般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：
Tc=150-P*83.3。
3)比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
4)注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。
规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。
5)我们可以用公式来验证这个结论。
假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。
则此
时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。
把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：
Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。
4.一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。
公式变为： Tj=Tc+P*Rjc
1)同样以2N5551为例。
假设实际使用功率为1.2W，测得壳温为60℃，那么，
Tj=60+1.2*83.3=159.96此时已经超出了管子的最高结温150度了！
2)按照降额0.012W/℃的原则，60℃时的降额为(60-25)*0.012=0.42W， 1.5-0.42=1.08W。
也
就是说，壳温60℃时功率必须小于1.08W，否则超出最高结温。
3)假设规格书没有给出Rjc的值，可以如此计算：Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也没有给出Tj数据，
那么一般硅管的Tj最大为150℃。
4)同样以2N5551为例。
知道25度时的功率为1.5W，假设Tj为150，那么代入上面的公式：
Rjc=(150-25)/1.5=83.3℃/W，恰好等于规格书给出的实际热阻。
方法一：
Tj=Ta+Rja*P
P=IF*VF P：发热功率
（热阻串联公式Rja=（Rjc+Rcm+Rms+Rsa）
(热阻并联公式)Rja=（Rjc+Rcm+Rms）/N+Rsa N:LED的颗数
PN结点温度等于环境温度与热功率和总热阻乘积之和.
比如：已知引脚温度：25℃，产品为1W大功率，电压：3.3V 电流: 350Ma 热阻是5℃/W，那产品的结温是多少呢？
计算方法如下：
Tj=Ts+3.3*0.35*5=25+8.25=33.25℃也就是说，在环境温度25℃的情况下，LED正常工作时的结温是33.25℃.
那热阻怎么计算呢？
Rja=△T/P= (Tj–Ta) /（IF*VF）
还是按照上面的条件，反推回去.
Rja=(33.25–25)/(0.35*3.3)=8.25/1.155=5℃/W
方法二：
可以通过电压法测试出产品的结温：
其主要思想是：特定电流下LED的正向电压VF与LED芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的VF值,就可以确定该LED电压与温度的关系斜率,即电压温度系数K值,单位是mV/°C。
K值可由公式K=△Vf/△Tj 求得。
K 值有了,就可以通过测量实时的Vf 值,计算出芯片的温度(结
温)Tj 。
举例说明：
常温25°C0.1mA测试电压值为2.495V,
高温85°C0.1mA 测试电压值为2.345V
常温25°C20mA 测试电压初始值为3.2346V 稳定值：3.2V
K=(2.495-2.345)/(25-85)=0.15/-60=-2.5mV/°C
Tj=25+(3.2346-3.2)/-0.0025=25+13.84=38.84°C
由此推算处此产品热阻为：
Rth=(38.84–25)/3.2*0.02=216℃/W。