データシートの仕様からLEDコンポーネントのディレーティング曲線を算出する方法について解説
LED製品の設計において、避けて通れないのが「熱対策」です。すべてのLEDには、最大ジャンクション温度と最大順電流によって定義される安全な動作限界がありますが、熱環境の変化に応じてこの限界を正確に把握する鍵となるのが「ディレーティング曲線」です。
本記事では、Luminus社の汎用LED「SST-10-FR」を具体例とし、データシートに記載された最大動作条件の数値を用いて、安全な動作境界線を導き出す手順をステップバイステップで紐解きます。また、周辺部材の耐熱性や人体への安全性といった、実践的なシステム設計に欠かせない重要な考慮事項にも触れており、設計マージンの確保や独自の曲線構築にも役立つ内容となっています。
今回は、データシートの仕様からLEDコンポーネントのディレーティング曲線を算出する方法について、わかりやすく解説した記事をご紹介します。
データシートの仕様からLEDコンポーネントのディレーティング曲線を算出する方
すべてのLEDコンポーネントには、最大ジャンクション温度（接合部温度）と最大順電流によって定義される、重要な動作限界があります。ディレーティング曲線は、ジャンクション温度に影響を及ぼすさまざまなケース温度（パッケージ表面温度）にわたって、LEDの安全な動作限界を定義する不可欠なツールです。この記事では、LEDのデータシートに記載されている最大動作条件を使用して、これらのディレーティング曲線の境界を計算する方法をステップバイステップで解説します。
LEDのディレーティング曲線は、さまざまな熱環境におけるLEDコンポーネントの安全な動作条件を推定するものです。必要な情報は通常、データシートに記載されています。この解説では、例としてLuminus社のSST-10-FR LEDを使用します。ここで取り上げるディレーティング曲線は、パッケージのケース温度（Tc）を独立変数とし、許容電流を従属変数とするLEDコンポーネントを対象としています。ここでのアプローチは、ディレーティング曲線の許容範囲内に安全に収まることを目的としているため、いくつかの簡略化を行っています。
図1. 一般的なLuminusコアボードのレイアウト。LEDチップ、サーミスタ、およびサーミスタコネクタの配置を示しています。(本記事で解説している Tj および Tc の位置を示す、Luminus社の関連ホワイトペーパーからの図。)
図2. PCBに実装され、外部サーミスタが追加されたSMDパッケージの例。(本記事で解説している Tj および Tc の位置を示す、Luminus社の関連ホワイトペーパーからの図。)
図1,2に示すように、ケース温度（Tc）はLEDパッケージの底面に位置し、コンポーネントレベルのディレーティング曲線ではX軸にプロットされます。ケース温度は測定可能なパラメータです。製品開発中、LEDが過熱していないことを確認するためのケース温度の測定には、サーミスタ、熱電対、およびサーモグラフィを使用することができます。
技術文献には、周囲温度を独立変数とする別の種類のディレーティング曲線も存在します。このシステムレベルのディレーティング曲線には、システムのヒートシンクや、周囲環境に至る熱経路上の他のコンポーネントの熱特性が含まれますが、それ以外の点では（コンポーネントレベルと）同様の方法で計算されます。システムレベルのディレーティング曲線で使用される熱抵抗は、LEDの熱抵抗と放熱システム全体の熱抵抗の合計となります。放熱システムの熱抵抗はほぼ任意の値に設計することが可能であるため、この記事ではLEDコンポーネントのディレーティング曲線に焦点を当てます。以下の図3は、コンポーネントレベルおよびシステムレベルのディレーティングにおける熱回路を示しています。
図3.コンポーネントレベルおよびシステムレベルのディレーティングにおける熱回路
コンポーネントのディレーティングに必要なデータシートの情報は以下の通りです。
- Rth (°C/W) – LEDコンポーネントの熱抵抗。
- Tj_max – LEDチップの最大定格ジャンクション温度。
- Tc_max – デバイスの接点（コンタクト）で測定される最大定格ケース温度。これはソルダーポイント（はんだ付け部）とも呼ばれます。
- If_max – データシートに記載されている最大定格連続（CW）順電流。
- Vf_max – データシートに記載されている最大定格電流時の電圧。
図4.SST-10-Farのデータシートからの抜粋
Rth は通常、特性表に記載されています。図4に示す今回のケースでは 5.3°C/W であり、「電気的（Electrical）」熱抵抗に該当します。「電気的」熱抵抗と「実（Real）」熱抵抗の両方が記載されている場合は、この計算には電気的熱抵抗を使用してください。ここで採用している手法は、電気的熱抵抗の定義に基づいています。
実熱抵抗は、LEDの発光効率を用いて光エネルギーと熱エネルギーを分離するものですが、今回の計算では必要ありません。データシートに熱抵抗が1つしか記載されていない場合、それは電気的熱抵抗を指します。
Tj_max、Tc_max、および If_max は、絶対最大定格表で確認できます。今回の例では、If_max は 1500 mA、Tj_max は 115 °C であり、Tc_max の定格は明確には定義されていません。これは、SST-10-FRコンポーネントが、最大定格ジャンクション温度よりも高い長期使用定格温度を持つ材料で構成されているためです。他のLEDコンポーネントでは、最大ジャンクション温度よりも低い温度定格を持つ材料（一般的にはポリマーなど）が使用されていることがあり、その場合はデータシートに Tc_max 温度が明記されます。
If_max 時の標準電圧は、以下の図5のグラフ（プロット）から得られる ΔVf を、特性表に記載されている標準 Vf に加算することで計算でき、2.10 V + 0.82 V = 2.92 V となります。場合によっては、電流-電圧グラフに Vf 対 If がそのまま示されており、Vf_max（最大電流時の電圧）を直接読み取れることもあります。
図5.SST-10-Farのデータシートからの抜粋
これらの値がすべて揃ったら、まず、最大定格電流時における、LEDパッケージのジャンクションとケース間の温度差を計算します。
ディレーティングが最初に必要となるケース温度を求める式は、以下の通りです。
SST-10-FRのデータシート上の最大ジャンクション温度は115°Cであるため、電流のディレーティングなしで許容される最大ケース温度（Tc_derating）は、115°C – 23.21°C = 91.79°C となります。このポイントを導き出すグラフ上の解釈については、以下の図6のプロットを参照してください。
この例では、許容ケース温度が Tj_max よりも高いため、すぐにディレーティング曲線を描くことができます。これは、以下の注釈付きプロットに示されています。作図に必要となる3つのポイントは以下の通りです。
(1) 開始ケース温度と最大定格連続（CW）電流
(2) 上記で定義したディレーティングポイント（これは、動作時のジャンクション温度が最大定格ジャンクション温度に達する最初のケース温度です）
(3) 最大ジャンクション温度と電流ゼロのポイント
右肩下がりの斜め線は、より高いケース温度において、LEDが最大ジャンクション温度で動作している領域を示しています。これは、異なる電流値においても電圧が一定であると仮定して簡略化したものです。もしI-V（電流–電圧）曲線を計算に組み込んだ場合、この斜め線はわずかにカーブを描きます。
ディレーティングポイントまでのケース温度であれば、電流を調整する必要はなく、LEDを If_max で動作させることができます。ディレーティングポイントを超えるケース温度では、LEDのジャンクション温度が定格最大温度を超えないように、許容される最大電流を下方へ調整（ディレーティング）します。
図6.最大定格ケース温度がTj_maxよりも高い場合のディレーティング曲線。この曲線は、ケース温度に対する電流の観点から、LEDの動作可能領域（エンベロープ）を定義するものです。実際には、適切なヒートシンク設計を行うことで、LEDはこの領域の十分内側（安全圏内）で動作させることができます。
上記のディレーティング曲線の形状は、定格ケース温度が最大定格ジャンクション温度よりも高いコンポーネント向けのものです。他にも、以下に示す2つの考えられる形状があります。
定格ケース温度がディレーティングポイントの温度と定格ジャンクション温度の間にある場合、右肩下がりの斜め線は定格ケース温度の地点で打ち切られます。これは、ポリマーを組み込んでいる特定のLED設計において発生します。
定格ケース温度を100°Cに変更した場合の、このタイプのディレーティング曲線の例を以下に示します。このプロットに必要な3つ目のポイント（Tc_corner, If_corner）は、2点を通る直線の方程式を用い、入力変数としてTc_corner（100°C）を使用することで計算できます。基準となる2つのポイントは、（Tc_derating, If_derating）と（Tc = Tj_max, If = 0）です。
図7.最大定格ケース温度がディレーティングポイントと最大ジャンクション温度の間にある場合のディレーティング曲線
3つ目のケースは、ディレーティングポイントのケース温度が最大定格ケース温度よりも高い場合です。したがって、最大定格ケース温度まではディレーティングを行う必要がなく、プロット（グラフの形状）は長方形になります。これは、定格ケース温度を92°Cに変更した以下の図に示されています。この例における最大パッケージ温度の定格はディレーティング温度と同じですが、このタイプの曲線では定格ケース温度がそれ（ディレーティング温度）より低くなる可能性もあります。
図8.最大定格ケース温度が、算出されたディレーティングポイントよりも低い場合のディレーティング曲線
ディレーティング曲線は、ケース温度が変動する中で、動作時のジャンクション温度が最大定格ジャンクション温度を超えないための動作条件を定義するものです。
LEDの動作がこの領域（エンベロープ）の十分内側に確実に収まるように、安全率（マージン）を設けることを推奨します。光束維持率と発光効率はジャンクション温度と強い相関関係があるため、ディレーティングの概念と併せて考慮する必要があります。
LEDシステム設計者は、これらの手法を用いて独自の（カスタムの）ディレーティング曲線を構築することも可能です。たとえば、パフォーマンス上の理由から目標とするジャンクション温度を 85°C とする場合、この手法において Tj_max に 85°C を代入すると、以下のプロットが得られます。
図9.85°Cのデータに関連する性能基準を満たすように、最大ジャンクション温度を選択した場合のディレーティング曲線。破線は、最大定格ジャンクション温度に基づいた元のディレーティング曲線を示しています。
これによってシステム設計者は、目標とするジャンクション温度を85°C未満に抑えつつ、SST-10-FRで最大定格電流を使用するためには、ケース温度が62°C以下になるような放熱システムを設計する必要があることが分かります。また、この形式のグラフは、それより高いケース温度において、どの程度の電流ディレーティングが必要になるかも示しています。
望ましいジャンクション温度およびケース温度を決定する際に考慮すべき要因には、以下のものがあります。
- さまざまな温度と電流におけるLEDの信頼性と光束維持率。
Luminus社は、ご要望に応じてこれらのデータを提供しています。
- さまざまな電流と温度におけるLEDの発光効率
電流とジャンクション温度が低いほど、発光効率は高くなります。この情報もご要望に応じて提供可能です。
- BOS（Balance of System：システム周辺部材）コンポーネントの最高使用温度
設計者は、LED周辺のコンポーネントが、定格の長期動作温度を超えないようにする必要があります。MCPCB（メタルコアプリント基板）は通常150°C付近でも動作可能ですが、これは検討している基板の種類ごとに確認する必要があります。アクリルレンズは熱で溶けやすく、使用温度定格は約80°Cと驚くほど低くなっています。
- 人間が痛みを感じる限界（痛覚閾値）と火傷の危険性
動作中にLEDやPCBに触れる可能性のある設計では、痛みを感じさせないために温度を約45°C以下に抑える必要があります。（5秒間の接触による）火傷の危険性は約60°Cから始まります。約70°Cで瞬時に火傷を負い、長時間の接触による火傷（低温火傷）の危険性は42°Cという低い温度から生じます。
参考文献
・”Thermal Derating Techniques for LED Driver ICs“,アクティブLED制御戦略に関する解説・”Using LEDs With Onboard Thermistors“, Luminusホワイトペーパー
まとめ
データシートの仕様からLEDコンポーネントのディレーティング曲線を算出する方法とは？
LEDの安全かつ信頼性の高い動作を確保するためには、データシートから適切なディレーティング曲線を算出することが不可欠です。本記事で解説したように、熱抵抗（Rth）や最大ジャンクション温度（Tj_max）、最大順電流（If_max）などの基本仕様を用いることで、ケース温度に応じた電流の限界値をグラフ化できます。
算出された曲線は、パッケージ素材の特性によって形状が変化し、限界温度までの安全な動作領域（エンベロープ）を視覚的に示してくれます。さらに、製品寿命や発光効率を重視して目標温度（例：85℃）を設定し、独自の曲線を引くことで、より実践的な熱設計が可能になります。
周辺部材の耐熱性や人体への安全性といったシステム全体の要件も考慮しつつ、適切な放熱マージンを持たせた設計を行うことが、LED製品の性能を最大限に引き出す鍵となります。