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
