Инструменты расчёта параметров мощных светодиодов компании Future Lighting Solution

Как правило, техническая поддержка светодиодов это, прежде всего, сопровождение печатными данными с обильными выкладками различных измеренных параметров. Для разработчика большой интерес представляют графики так называемого hot/cold фактора, зависимости падения напряжения на кристалле от его температуры, а также реальное значение световой отдачи в рабочей точке температур.

Однако даже эти данные не всегда представлены корректно. Очевидно, что при разработке изделий все эти параметры будут точно рассчитаны, но в случае простого сопровождения проекта затраты на полномасштабную разработку просто недопустимы. Для оптимизации этих расходов компании производители предлагают сервисы, которые оптимизируют этот процесс, позволяя получить достаточно точные оценочные данные.

Одним из мощнейших инструментов поддержки на сегодня можно по праву считать on-line калькуляторы компании Future Lighting Solution, которые можно найти на сайте компании www.futurelightingsolution.com. Эти инструменты имеют достаточно дружелюбный интерфейс и достаточную точность.

В статье мы рассмотрим два из них, наиболее интересные для разработчика или инженера по сопровождению проектов. Это инструмент, позволяющий оценить основные параметры светодиода в рабочем режиме и инструмент, который даёт возможность оценить время наработки светодиода на определённое значение деградации световой отдачи.

Первый из них носит название Usable Light Tool (в дальнейшем ULT). В этом году компанией разработчиком была представлена вторая версия этой программы. Улучшения в основном коснулись расширения базы стандартных теплоотводов, светодиодов и графическому представлению результатов вычислений.

Рабочее окно программы состоит из двух абсолютно одинаковых колонок (см. рис. 1), это весьма удобно при сравнении двух возможных вариантов решения задачи. Например, если нужно получить фиксированное значение светового потока и необходимо оценить будет ли вариант с меньшим количеством светодиодов, включённых в режим 700мА, лучше использования большего числа светодиодов в номинальном включении.

Рис. 1. Рабочее окно ULT

Первые четыре строчки этих колонок полностью посвящены выбору модели светодиода и его цветности или цвету. Стоит отметить, что выбранный в первой колонке цветовой параметр по умолчанию переносится и во вторую. Пятая строчка, носящая название Optimization Algorithm Type, задаёт одно из двух фиксированных значений рабочих токов, максимальное или минимальное, либо же можно выбрать так называемую оптимальную величину тока, необходимую для получения другого фиксированного параметра.

Отметим, что значение рабочего тока также можно задать в графе Override (decrease) Max. Curr, расположенной несколько ниже. Для того чтобы это сделать, достаточно ввести его в эту графу и выбрать тип алгоритма оптимизации по максимальному рабочему току. За графой алгоритма оптимизации следуют графы количества диодов используемых в модуле (Number of Power LEDs) и значения температур окружающей среды (Ambient Temperature). Ниже находится графа выбора типа печатной платы.

Не секрет, что материал печатной платы играет существенную роль в передаче тепла от кристалла к теплоотводу. Выбрать можно три типа плат: FR4 с переходными отверстиями под маской (FR4 with Filled & Capped Vias), FR4 с открытыми переходными отверстиями (FR4 with Opened Vias), MCPCB, а также ввести оригинальное значение термического сопротивления платы для одного светодиода (Custom Circuit Board). Далее следует графа выбора типа теплоотвода (Heat Sink Shape). Его можно выбрать как один из стандартных, или же выбрать параметр «нестандартное решение» (Custom Solution) и ввести известное значение термического сопротивления теплоотвода.

Перейдём к зоне дополнительных и паспортных данных. Остановимся на тех из них, которые являются управляемыми. Назначение первого из этих параметров, «максимальное значение рабочего тока», уже было описано выше, поэтому перейдём сразу ко второму.

В графе Override Typ. Flux @ Nom. Curr можно ввести фиксированное значение светового потока, которое выбирается из максимально и минимально возможных значений. Графа Override Typ. Vf @ Nom. Curr. контролирует значение падения напряжения, которое может быть выбрано между максимально и минимально возможными. В последней графе Override Lumen Maint. Tj можно максимальное значение температуры кристалла, по достижении которого автоматически начнут изменяться остальные данные, например, начнёт снижаться значение рабочего тока.

Активно оперируя всеми этими параметрами, можно достаточно точно оценить режим работы светодиодного модуля. Когда все значения установлены, нажимаем кнопку Analyze Power LEDs и переходим к таблице результатов. Она разделена на две части: в верхней отображены входные данные, в нижней непосредственно сами результаты. Среди результатов самыми важными, будут значения эффективности светодиода, потребляемой мощности, рабочей температуры кристалла, светового потока и, конечно же, световой отдачи светодиода. Все эти данные отображены как в численном выражении в соответствующих графах, так и в виде многочисленных графиков зависимости этих параметров друг от друга.

Как уже было отмечено выше, инструмент LED Reliability Tool разработан для оперативной оценки времени деградации светодиода в рабочих условиях. Следует отдельно отметить, что этот инструмент работает на базе зависимости, полученной в ходе измерений, а не при помощи теоретических вычислений. Более того, здесь применена уникальная технология оценки деградации. Дело в том, что в большинстве случаев приводится только усреднённая кривая деградации без учёта разброса этого параметра между образцами. Очевидно, что более честным было бы указывать время деградации доли светодиодов из некоторого лота. Именно этот способ и реализован в инструменте LRT, он лаконично обозначен как Bxx, Lyy. Где индекс В – это процент светодиодов подверженных деградации, а индекс L – процентное выражение деградации светового потока. То есть если применить систему с индексом В10, L70 вы сможете получить время, за которое у 10% светодиодов некоторого лота световая отдача деградирует до 70% паспортного номинального значения. Всего LRT предлагает три варианта индекса: В10/L70, В20/L70, В50/L70.

Как и ULT инструмент LRT состоит из двух колонок, удобных для сравнительной оценки двух режимов работы светодиода (см. рис. 2). Первая графа обоих из них отвечает за выбор модели светодиода. Вторая за технологию кристалла, применённую в этой модели. Вариантов выбора два – это технология AlInGaP (алюминий, индий, галлий, фосфор), на базе которой производятся красные (red), оранжевые (orange) и «янтарные» (amber) светодиоды, и технология InGaN (индий, галлий, азот) на базе которой производятся все остальные цвета, включая белые.

Рис.2. Рабочее окно LRT

В графе Probability Distribution следует выбрать способ оценки по методу Bxx, Lyy.  Далее в графе Lifetime Parameter to Solve, выбраем один из трёх параметров, который будет являтся искомым при оценке времени деградации. Это может быть время деградации (lifetime), при этом задаётся уже известная рабочая температура кристалла и значение тока. Оптимальная температура кристалла (junction temperature), при этом задаётся некоторое желаемое время деградации и значение тока. Либо же это может быть значение тока (forward current), при котором будут выдержаны заданные параметры времени деградации и температуры кристалла.

После выбора всех параметров следует нажать кнопку Analyze Power LEDs, вслед за чем на экране появится график деградации (см. рис. 3). Он представляет собой простую зависимость времени жизни от температуры кристалла в рабочей точке. Для простоты восприятия над графиком есть графа отображающая значения времени деградации для выбранных условий.

Рис. 3. График деградации кристалла

В заключение, хотелось бы отметить, что оба инструмента показали неплохую аппроксимацию с лабораторными данными. Точность инструмента ULT по данным автора составила около 12%. Инструмент LRT по понятным причинам был проверен только для технологии кристалла AlInGaP и также показал хорошую сходимость практических и расчётных результатов.