摘要：隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的不斷發(fā)展，LED已經(jīng)被應(yīng)用于越來越多的照明領(lǐng)域，大功率LED也就應(yīng)運而生。但是，伴隨著LED功率的逐漸增大，散熱問題就變得極為突出了。而熱阻作為衡量散熱性能好壞的關(guān)鍵參數(shù)，對它的分析就具有重要的理論及實際意義。熱阻過大會使溫度過高，直接影響了大功率LED波長、發(fā)光效率、正向壓降以及使用壽命等。因此，本文提出了一種基于多點溫度測量的大功率LED實時熱阻分析方法。本文設(shè)計了一種數(shù)據(jù)采集方案，對大功率LED熱阻分析的不確定度進(jìn)行了計算，驗證了整個分析方法的真實性和可靠性。

1引言

    伴隨著LED功率的不斷增加，散熱問題已經(jīng)成為制約大功率LED推廣的主要因素。當(dāng)LED的功率越大，它的封裝結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，而它的體積變得更小，也就使LED的功率密度愈來愈大。功率密度越大，則散熱問題就越嚴(yán)重，散熱不好將會導(dǎo)致大功率LED的PN結(jié)結(jié)溫升高，進(jìn)而使LED產(chǎn)生光衰現(xiàn)象，使用壽命變短，嚴(yán)重可能導(dǎo)致芯片被燒毀。對于大功率LED散熱問題的研究將對大功率LED的未來的推廣起到十分重要的作用。對于熱阻的分析是具有重要的理論意義和實際意義的。

2大功率LED熱阻理論及模型建立

2.1熱阻理論

    對于大功率LED來說，熱量主要靠熱傳導(dǎo)和熱對流兩種方式。

    熱傳導(dǎo)的原理遵循傅立葉定律，可以表述為在單位時間內(nèi)熱傳導(dǎo)過程中，通過一定截面的熱量與垂直于此截面上的截面面積和溫度變化率成正比，如公式(1)所示：

                                  (1)

    對于熱對流來說，液體的熱對流現(xiàn)象沒有氣體的明顯。用牛頓冷卻公式來表達(dá)：

                                  (2)

    或者是

                                 (3)

    由式（2）和（3）可知，對流傳熱傳遞的熱量與流體與固體表面的溫差及它們之間的換熱面積成正比，比例系數(shù)即為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。對流換熱的過程是比較復(fù)雜的，換熱表面的幾何形狀、流體的物理性質(zhì)和物理狀態(tài)的改變以及換熱面的邊界條件等都會對對流換熱造成一定的影響。

2.2熱阻模型

    熱阻的概念與電阻相類似，熱傳遞路徑上兩點的溫差相當(dāng)于電壓，熱傳遞過程產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于電流，而熱阻就相當(dāng)于電阻。熱阻定義為在熱平衡狀態(tài)下，兩個規(guī)定點或者區(qū)域之間的溫度差與產(chǎn)生這兩點之間熱耗散功率之比，單位是℃/W，用公式表達(dá)為：

                              (4)

    其中，Rth為熱阻，t1和t2分別為兩點的溫度，P為消耗功率。

    對于大功率LED熱傳遞方式的分析可知，對于壁厚為單層平壁熱傳導(dǎo)過程，若兩個表面的溫度分別為t1和t2，則由傅立葉定律，即式(1)可知：

        (5)

    即，

                                 (6)

    對于大功率LED，這種在固體之間以熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量的過程中遇到的熱阻被稱作導(dǎo)熱熱阻。

而在對流換熱的過程中，根據(jù)牛頓冷卻公式，即式(2)和式(3)可以得出：

                                (7)

    即，

                               (8)

    大功率LED的散熱結(jié)構(gòu)通常是由以下幾個部分組成的：大功率LED芯片模組、金屬線路板以及外部熱沉，芯片通過焊盤被焊接在金屬線路板上，而印刷電路板與外部熱沉相接來向外部散熱，典型的大功率LED散熱結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 大功率LED散熱結(jié)構(gòu)圖

    根據(jù)大功率LED的散熱結(jié)構(gòu)可知，大功率LED的散熱過程如下：大功率LED芯片發(fā)光產(chǎn)生熱量，熱量通過熱傳導(dǎo)方式從芯片內(nèi)部向金屬線路板傳遞，再經(jīng)過金屬線路板向外部熱沉傳遞，最后通過熱對流的方式實現(xiàn)外部熱沉與外界空氣之間的熱量傳遞。

圖2大功率LED熱阻模型

    根據(jù)大功率LED的整體結(jié)構(gòu)以及它的散熱過程可以總結(jié)出大功率LED的熱阻模型，具體如圖2所示。大功率LED的總熱阻Rth，即為從LED芯片到外界環(huán)境的散熱路徑上的各個熱阻的和，主要包括LED芯片內(nèi)部熱阻RS-B，即在熱傳導(dǎo)過程中LED芯片到金屬線路板之間的熱阻；金屬線路板到外部熱沉之間的熱阻RB-S；熱對流過程中外部熱沉到外界空氣之間的熱阻RS-A，還有芯片與空氣熱對流過程的熱阻，但是由于芯片與外界環(huán)境的散熱作用不明顯，因此可以忽略不計，所以大功率LED熱阻的總和。

3LED熱阻分析

    根據(jù)大功率LED的熱阻分析主要從以下四個方面闡述：大功率LED熱阻分析數(shù)據(jù)的采集方案設(shè)計、大功率LED的實時熱阻分析以及利用Hilbert-Huang變換對熱阻的進(jìn)一步分析。

3.1數(shù)據(jù)采集設(shè)計

    以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

    以PIC單片機(jī)為核心應(yīng)用數(shù)字溫度傳感器對大功率LED多點溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過數(shù)字溫度傳感器將數(shù)字溫度信號直接送到PIC單片機(jī)進(jìn)行處理，實現(xiàn)對大功率LED的多點溫度數(shù)據(jù)采集。同時對大功率LED兩端的電壓電流信號進(jìn)行采集，并且通過PIC單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將處理后的電壓值送入計算機(jī)中。最后將處理后的多點溫度數(shù)據(jù)和電壓、電流數(shù)據(jù)通過RS-232接口傳遞給上位機(jī)，為大功率LED的實時熱阻分析提供數(shù)據(jù)支持。

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

    本文核心控制芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877單片機(jī)。本系統(tǒng)的多點溫度數(shù)據(jù)檢測采用了美國Dallas公司推出的新一代單總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。采取單總線形式，即將多個DS18B20掛在同一管腳上，根據(jù)ROM碼分別進(jìn)行操作。其硬件原理圖如圖4所示，其中，GND為地線；DQ為數(shù)據(jù)線，即可以向外部發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接受數(shù)據(jù)，該腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平；VDD是可選外部電源端，可接+5V，當(dāng)使用寄生電源供電時應(yīng)接地。本系統(tǒng)是采用VDD供電，DQ與單片機(jī)相連的方式來實現(xiàn)溫度檢測的。

圖4  DS18B20的引腳配置圖

    本文將運算放大器AD620AN的輸入端即其+IN腳和-IN腳接R2的兩端，輸出端OUT的電壓即為R2兩端的電壓，把得到的電壓信號送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口AN0端處理，再根據(jù)R1、R2的阻值比求出LED兩端的電壓。具體電路如圖5所示。

圖5電壓采集原理圖

    接阻值為1K采樣電阻，測量采樣電阻的電壓信號，送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口AN1端處理，獲得通過LED的電流值。

    最后把DS18B20的溫度數(shù)據(jù)和大功率LED兩端的電壓電流數(shù)據(jù)傳入到PIC16F877單片機(jī)，再由PIC16F877統(tǒng)一通過串口傳給計算機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用RS-232連接單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。

3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

    PIC16F877單片機(jī)是溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，它主要完成對三個數(shù)字溫度傳感器DS18B20的控制，實現(xiàn)讀取溫度數(shù)據(jù)，采集DS1302的實時時間數(shù)據(jù)以及同上位機(jī)的通訊功能。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，多點溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序主要有四個模塊：主程序、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、電壓數(shù)據(jù)采集模塊以及串行通信模塊。其流程圖如圖6所示。

圖6溫度采集流程圖

4大功率LED實時熱阻分析

    本文通過單片機(jī)與計算機(jī)之間的RS-232串口實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸，并且根據(jù)大功率LED熱阻的分析方法通過VC++編程，實現(xiàn)了對熱阻的實時分析，包括全部暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程。

    數(shù)據(jù)采集完成后，需要完成大功率LED熱阻分析的可視化系統(tǒng)設(shè)計，通過RS-232串口將溫度及電壓數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)，顯示并處理數(shù)據(jù)。主要包括以下三個模塊：串口通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊，下面將對它們進(jìn)行詳細(xì)闡述。本系統(tǒng)采用MSComm控件來完成串口通信模塊的設(shè)計。

    通過串口實現(xiàn)了三點溫度數(shù)據(jù)、電壓以及電流數(shù)據(jù)傳遞后，就要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理了，包括熱阻分析實時顯示、溫度和功率參數(shù)的顯示。

    為了能夠?qū)崟r分析熱阻，本文將熱阻用實時繪制動態(tài)曲線的方式給出。先將熱阻分析結(jié)果存放在全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過傳遞的數(shù)據(jù)觸發(fā)事件，在函數(shù)中實現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)以及根據(jù)數(shù)據(jù)繪制曲線的功能，并實時顯示溫度及功率值，具體如圖7所示。

圖7軟件界面

4.1熱阻分析實例

    以實際大功率LED為例，將熱阻分析應(yīng)用于實際工程中，針對不同熱沉的條件下的熱阻進(jìn)行分析。由于選用合適的熱沉材料對于大功率LED熱阻具有較大的影響，因此可以通過對熱阻的分析實現(xiàn)對大功率LED散熱性能的改善。

    本文采用不同的鋁基板作為熱沉，通過基于多點溫度測量對不同的大功率LED鋁基板下熱阻的變化情況進(jìn)行分析，并最終得出一個最優(yōu)的熱沉設(shè)計方案。表1為在不同熱沉下獲得的熱阻。

    其中，基板熱阻為大功率LED的PN結(jié)到基板的熱阻；空氣熱阻為LED器件PN結(jié)到空氣的熱阻，它們根據(jù)不同點的溫度值得到不同的熱阻。由表1可知，以AlN做為熱沉的大功率LED基板熱阻最小，散熱性能最好；而以Al做為熱沉的大功率LED基板熱阻最大，散熱性能最差，因此可以選擇AlN作為熱沉材料降低LED器件的熱阻值。如表4-1所示，不同的鋁基板不但使基板熱阻有所不同，還使環(huán)境的熱阻也發(fā)生了變化。這說明選擇合適的熱沉，對大功率LED熱阻是有很大的影響的，這就會決定了整個大功率LED散熱性能的好壞。

表1不同熱沉下熱阻分析結(jié)果

4.2基于Hilbert-Huang變換的熱阻分析

    由于實驗所獲得的熱阻分析結(jié)果可能會夾雜著噪聲信號，因此本文采用基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(即EMD)的HilbertHuang變換對基于多點溫度測量的熱阻分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理。Hilbert-Huang變換對信號處理主要有兩個步驟：首先應(yīng)用EMD獲得有限數(shù)目的IMF，再應(yīng)用Hilbert變換和瞬時頻率方法獲得信號的Hilbert譜。

    對于熱阻分析來說，EMD的過程如下：

    首先要根據(jù)熱阻分析結(jié)果X（t）確定其全部局部極值點，令m1為上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的平均值，h1為與平均值m1之差，則

                            (9)

    當(dāng)h1（t）滿足固有模態(tài)函數(shù)的定義，那么h1（t）就作為X（t）的第一個IMF分量；當(dāng)h1（t）不滿足IMF的定義，就將h1（t）作為數(shù)據(jù)重復(fù)以上步驟，那么：

                           (10)

    其中：數(shù)據(jù)h1（t）的上下包絡(luò)線的平均值為m11(t)。

    從原始數(shù)據(jù)X（t）中將c1分離出來可得：

                        (11)

    再重復(fù)以上步驟，把r1(t)作為新的原始數(shù)據(jù)，直到出現(xiàn)第二個滿足IMF的分量c2，如此循環(huán)下去直到原信號里不含有IMF分量：

                       (12)

    為了確保每一個IMF具有實際的物理意義，可以將IMF的第二條判定條件轉(zhuǎn)化為以下標(biāo)準(zhǔn)，如式(13)所示：

                       (13)

    其中，0,1，…，T是平均包絡(luò)線包含的所有時刻；m1k(t)是本次循環(huán)過程中IMF分量提取模塊中求得的平均包絡(luò)；m1(k-1)(t)是上一次循環(huán)過程中IMF分量提取模塊中求得的平均包絡(luò)；而合理的SD在0.2～0.3之間的取值范圍內(nèi)。直到不能提取滿足IMF的分量，rn(t)成為一個單調(diào)函數(shù)時，整個循環(huán)結(jié)束。原始數(shù)據(jù)則可以由IMF分量與最后殘量之和表示，記為：

                      (14)

    應(yīng)用EMD方法對大功率LED熱阻分析結(jié)果進(jìn)行分解的整個過程，如圖8所示。

圖8EMD流程圖

4.3基于EMD的Hilbert-Huang變換

    應(yīng)用EMD獲得有限數(shù)量的IMF后，就要對每個IMF進(jìn)行希爾伯特變換，對實函數(shù)的變換公式如下：

                           (15)

    由卷積定理可知：

                        (16)

    因此Hilbert變換的實質(zhì)其實就是x(t)通過Hilbert濾波器，而Hilbert濾波器其實就是沖激響應(yīng)為1/πt的一個線性網(wǎng)絡(luò)，它的傳遞函數(shù)如公式所示：

                      (17)

    φ(t)和A（t）分別稱為瞬時相位與瞬時包絡(luò)，φ(t)的導(dǎo)數(shù)ω(t)叫做瞬時頻率，表達(dá)式如下：

                   (18)

                 (19)

                   (20)

    因此從本質(zhì)上講，對信號的瞬息參數(shù)的求取就是對共軛信號的求取。Hilbert變換實現(xiàn)了提取穩(wěn)態(tài)信號的瞬時特征，尤其是提取了瞬時頻率特征，這具有很重要的工程實際意義。因此我們說非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)通過EMD分解后再進(jìn)行變換可以確保其原有的物理意義。

    原信號X（t）的希爾伯特變換表示為：

                               (21)

    定義實部是希爾伯特譜，記作，則

                      ( 22)

    Hilbert譜反應(yīng)了每一個IMF分量在頻率上分布的總振幅或能量。

圖10基于Hilbert-Huang變換的熱阻分析結(jié)果

5結(jié)論

    熱阻作為衡量散熱性能好壞的關(guān)鍵參數(shù)，對它的分析就具有重要的理論及實際意義。熱阻過大會使溫度過高，直接影響了大功率LED波長、發(fā)光效率、正向壓降以及使用壽命等。本文針對大功率LED熱阻分提出了一種新的分析方法根據(jù)對熱阻基本理論的研究，提出了一種基于多點溫度測量的實時熱阻分析方法，并且成功應(yīng)用于實際大功率LED中，實現(xiàn)了對熱阻的分析，并將其應(yīng)用于鋁基板散熱性能的優(yōu)化中，而且將Hilbert-Huang變換應(yīng)用于熱阻分析中，對熱阻實現(xiàn)了進(jìn)一步分析。通過應(yīng)用于實際大功率LED中進(jìn)行驗證，為大功率LED的進(jìn)一步推廣起到積極推動作用。