瞬態(tài)冷卻LED

　　先前的討論是假設(shè)在穩(wěn)定狀態(tài)，即LED永久地通電并且散熱器將熱能連續(xù)地耗散到周圍空氣中。這種熱模型在兩種情況下會出現(xiàn)故障。一種是在接通LED時，更通常地是在脈沖操作中。令人驚訝的是，可以設(shè)計一條熱路徑，在連續(xù)工作時保持LED冷卻，但是在接通時會過熱。當(dāng)這樣操作時，相關(guān)聯(lián)的熱偏移可能讓LED突然出現(xiàn)故障，類似于鎢絲燈絲開啟時突然斷裂一樣。因此，LED的熱解決方案設(shè)計需要考慮瞬態(tài)操作，并且包括時間和空間變量。

　　時間依賴

　　瞬態(tài)冷卻的時間分量是由于熱路徑中材料的比熱容量而產(chǎn)生的。這可以作為電容器添加到熱電阻的電氣模型中(圖4)。熱容量是指材料受熱(或冷卻)時吸收(或放出)熱量的性質(zhì)。熱容量的大小用比熱容(簡稱比熱)表示?！　?/p>

　　圖4. 熱傳導(dǎo)的時間依賴是由于系統(tǒng)中材料的熱容量而導(dǎo)致的，電等效模型是RC低通濾波器。

　　電氣模型類比意味著熱阻抗有時用于描述材料的時間相關(guān)的熱性質(zhì)。請注意，這時要注意區(qū)分，因為熱阻抗也可以用來描述整個系統(tǒng)的靜態(tài)熱阻。

　　空間依賴

　　瞬態(tài)冷卻的空間分量源于熱量往哪個方向擴(kuò)散多一些。比如，一個安裝在大的薄金屬板上的LED。最初，整個板處于環(huán)境溫度。LED作為點熱源。在接通時，LED會產(chǎn)生熱量，通過傳導(dǎo)將熱量傳遞到板中。熱量快速通過金屬板，提高了LED下方區(qū)域的溫度。因此，最先的時候，金屬板的一小部分是來冷卻LED的。金屬板的導(dǎo)電性意味著LED的一些熱量會在板內(nèi)橫向擴(kuò)展，最終出現(xiàn)在表面上(圖5所示)。因此，參與冷卻LED的金屬板的體積會隨時間而增加，導(dǎo)致熱阻和熱容量出現(xiàn)明顯改變?！　?/p>

　　圖5. 一個熱體在薄金屬板上，這種簡單的有限元熱模型通過參與冷卻的板材體積的變化表現(xiàn)空間依賴性。這些模型的計算按照從左上到右下時間增加來進(jìn)行的。

　　當(dāng)路徑中存在高熱阻的界面或?qū)訒r，空間依賴特別重要。通過采取措施就將熱量散布在該屏障之前最大的可能區(qū)域，這樣在穩(wěn)態(tài)和脈沖操作中，LED可以達(dá)到更好的冷卻。

　　對流和輻射

　　高于環(huán)境溫度的任何材料都會通過對流和輻射而失去熱量。雖然這些是鎢絲燈冷卻的主要機(jī)制，但它們在LED的熱管理中起著很小的作用。但是，應(yīng)該將對流和輻射包括在任何模式中，目的是確保最接近現(xiàn)實情況。

　　總之，LED必須被冷卻，以達(dá)到最佳的效率并確保其光輸出的穩(wěn)定和壽命?？梢允褂没陔姎獠考哪Ｐ蛠順?gòu)造簡單的熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)模型。但是，為了正確理解熱路徑，特別是在瞬態(tài)條件下的反應(yīng)，最好使用可以適應(yīng)時間、空間和溫度變化的工具。

　　熱傳導(dǎo)的時間和空間依賴性解釋了為什么在材料選擇方面存在層次結(jié)構(gòu)。高比熱容或熱導(dǎo)率會隨著材料在熱路徑中的位置和LED預(yù)期的操作模式而改變。