CN102162754A - 用于结温度估计的自校准电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于校准半导体元件的结温度测量的校准电路、计算机程序产品和方法，其中测量半导体元件和参考温度传感器的结处的相应正向电压，并且通过使用参考温度传感器确定绝对周围温度，基于绝对周围温度和测量正向电压预测半导体元件的结温度。

Description

用于结温度估计的自校准电路和方法

技术领域

本发明涉及用于校准半导体元件的结温度测量的校准电路、方法和计算机程序产品，半导体元件例如但不限于发光二极管(LED)。

背景技术

高亮度LED正越来越广泛地用作交通灯、机动车内外照明、布告板和其他应用的光源。硅LED芯片的光输出不仅依赖于芯片尺寸和工艺，还依赖于LED的结温度。通过保持低的结温度，可以以两倍或三倍的电流驱动LED，从而在延长LED寿命的同时产生两倍或三倍的光输出。

结温度以多种方式影响LED和激光二极管性能。光输出中心波长、光谱、功率值和二极管可靠性都直接依赖于结温度。因此，二极管本身的热设计和它的封装变得对器件的整体性能至关重要。验证热设计和组件可重复性需要测量结温度的能力。

如果已知LED结处的温度T_junction，则可以精确控制LED性能。LED的结温度T_junction可以使用以下公式在小驱动电流(例如10μA量级)下基于LED的正向电压V_f来确定：

T_junction＝T_Ref+(V_{f_meosured}-V_{f_Ref})/T_Coeff  (1)

其中，T_Ref(℃)是参考温度，V_{f_Ref}(V)是LED在参考温度和相同驱动电流下的正向电压，T_Coeff(V/℃)是温度系数，该温度系数将LED正向电压的改变与其结温度的改变联系起来。

图2示出了示例性LED的正向电压V_f与结温度T_junction之间的关系的示意图。从图2所示的线性关系可以清楚地看出，为了能够精确地确定LED的结温度，必须知道参考温度T_Ref、正向电压V_{f_Ref}和温度系数T_Coeff的值。可以在实验室条件下针对某种类型的LED预先确定这些参数。但是，参考值的预先确定增加了LED或LED设备制造商的成本、人力和复杂度。

US 7,052,180公开了一种LED结温度测试器，其通过利用通过LED驱动的正向电流、LED的正向电压和结温度之间的线性关系来直接测量LED结温度，以确定LED结温度。通过将两个同族LED置于周围温度下，使小测试电流流过每个LED以获得周围温度下的LED的正向电压，来进行校准。然后，将被测LED置于温度高于周围温度已知量的环境受控箱内。已知的高压和低压值与周围温度和环境箱温度相关联，使得被测LED变为经校准的温度计，然后可以根据正向电压与结温度之间的线性关系测量其自身的结温度。

发明内容

本发明的目的是提供与诸如LED等半导体元件一起使用的校准电路和方法，用于精确和快速的结温度测量。

在本发明的第一方面中，提供了一种校准半导体元件的结温度测量的方法，所述方法包括：

测量所述半导体元件和参考温度传感器的结处的相应正向电压；

通过使用所述参考温度传感器确定绝对周围温度；以及

基于所述绝对周围温度和测量正向电压预测所述半导体元件的所述结温度。

在本发明的另一方面中，提供了一种用于校准半导体元件的结温度测量的校准电路，所述校准电路包括：

参考温度传感器，用于测量绝对周围温度；

电压测量装置，用于测量所述半导体元件和所述参考温度传感器的相应结处的正向电压；以及

预测装置，用于基于所述绝对周围温度和测量正向电压预测所述半导体元件的所述结温度。

从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，两个独立权利要求的特征具有相似和/或相同的优选实施例，如在从属权利要求中限定的那样。

因此，可以提供具有精确快速的LED结温度测量能力的免校准LED驱动器，其中可以使驱动器集成电路(IC)独立于LED类型制造商和LED年龄和/或性质变化。可以从测量绝对周围温度和半导体元件和参考温度传感器处的测量正向电压预测结温度。

该确定操作可以包括基于比例-绝对温度测量原理直接测量绝对周围温度。

此外，可以在半导体元件的校准阶段期间，在至少两个不同温度下执行测量和确定步骤。在示例性实施例中，可以在半导体元件的关闭时间期间提供校准阶段。

可以将参考温度传感器放置在与半导体元件具有实质上相同的周围温度的地方。在具体实施例中，参考温度传感器可以放置在半导体元件(例如LED)的校准电路中。

参考温度传感器可以包括二极管。

此外，可以提供电流源，以产生测量电流提供给上述半导体元件和所述参考温度传感器，以允许基于比例-绝对温度测量原理直接测量绝对周围温度。

此外，校准电路适于在至少两个不同温度下提供正向电压和绝对周围温度。

校准电路可以布置为单独提供给半导体元件的单个芯片或芯片组，或者与半导体元件集成在同一芯片或芯片组上。

此外，校准电路可以包括受软件例程控制的微处理器，其中软件例程包括代码装置，用于当在计算设备(例如在校准电路中提供的处理器)上运行时执行上述方法步骤。

附图说明

通过附图和示例进一步描述本发明，所述附图和示例不意在限制本发明的范围。本领域技术人员将理解，可以组合多个实施例。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他优点将更加清楚。

在附图中：

图1示出了根据实施例的校准系统的示意框图；

图2示出了依赖于LED结温度的正向电压的示例的示意图；

图3示出了根据实施例的校准过程的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出了根据实施例的自校准电路30的示意性框图。自校准电路30连接到LED 20，以控制校准工艺。针对温度感测的LED 20的自动校准是通过使用校准电路30中的标准内置温度传感器35实现的。围绕LED 20和校准电路30的虚线框指示公共周围环境10，其确保LED20和校准电路30实质上处于相同温度下。

此外，校准电路30包括电流源(CS)32、电压测量块(VM)33、和具有用于存储测量参考值的嵌入式存储器的微控制器或微处理器(μp)34。电流源32被配置为向LED 20和参考温度传感器(T)35(例如二极管)提供测量电流。如果使用二极管作为参考温度传感器35，则允许根据以下公式，基于比例-绝对(proportional-to-absolute)温度(PTAT)测量原理来进行绝对周围温度的直接测量：

$T=\frac{q(V_{\mathrm{diode}1}-V_{\mathrm{diode}2})}{k\ln \frac{I_{\mathrm{diode}1}}{I_{\mathrm{diode}2}}}---\left(2\right)$

其中，q是电荷电量，k是波尔兹曼常数，I、V分别是流过二极管的电流和二极管正向电压。在一些情况下，可以引入具有1和2之间的值的非理想因子n，以补偿参考温度传感器35(例如二极管)的非理想行为。使用二极管作为参考温度传感器35有利于减小校准电路30的成本。

校准电路与内置参考温度传感器35和LED 20之间的物理距离可能在LED结处的温度测量中引入显著误差，并且测量速度可能常常很低。通过针对温度测量校准LED 20自身，可以精确高速地测量LED结温度。

电流源32产生测量电流并将电流提供给LED 20和参考温度传感器35，同时电压测量块33测量LED 20和参考温度传感器35处产生的相应正向电压，并将测量值或参数提供给微处理器34。基于测量电流和正向电压，可以基于以上公式(2)校准绝对周围温度，其中第一二极管(二极管1)对应于LED 20，第二二极管(二极管2)对应于参考温度传感器35，或者相反。已知绝对周围温度和LED 20、参考温度传感器35处的正向电压，可以基于以上公式(1)，利用图2所示的关系计算或估计LED 20处的结温度T_junction。

图3示出了根据实施例的校准过程的示意性流程图。

在步骤S101中，向LED 20和参考温度传感器35提供测量电流。然后，在步骤S102中，通过电压测量块33测量LED 20和参考温度传感器35处的正向电压，将所测正向电压的测量值提供给微处理器34。基于可能也控制图3的整个校准过程的控制程序，微处理器34在步骤S103，例如使用以上公式(2)，基于PTAT测量原理，确定周围的绝对温度。

在步骤S104，检查校准是否结束。如果未结束，则重复步骤S101到S103，直到有足够的测量值用于校准。

已知周围温度和匹配的LED正向电压，则可以获得用于精确预测工作期间的LED结温度的所有参考值。更具体地，可以在至少两个不同的周围温度下进行校准测量(例如步骤S101和S102)，同时LED 20的温度应当与周围温度相同(在图1中由虚线框指示)。第一个要求较容易满足，因为未调节的环境温度随时间(例如昼夜时间)变化。即使在受调节环境中，也经常发生温度波动，但是差异较小。为了满足以上第二个条件，LED 20在校准期间不应处于工作模式，并且依赖于LED结和环境之间的热阻，LED 20在任何测量之前的关闭时间应足够长。事实上，由于不是所有LED设备都总是开启的，可以容易地引入校准测量时段。即使对于需要连续开启的LED设备，也可以在适当的定时处引入用于进行校准的短暂瞬间。

当在图3的步骤S101到S103中获得足够的测量值时，在步骤S104判决校准结束，可以在工作期间在步骤S105预测LED 20的结温度。

应当注意，以上实施例不限于用于LED的以上校准电路。其可以在用于LED的独立温度感测芯片中实现，或者在需要有关半导体元件的结温度的信息的任何其他半导体电路中实现。因此，这些实施例可以在所附权利要求的范围内变化。

可以通过适于在运行于校准电路30处提供的微处理器34或任何其他控制处理器上对其进行控制以执行这些步骤的相应软件例程或控制程序来实现图3的步骤S101到S105，以控制校准电路的相应块实现该校准过程。

总之，本发明涉及校准半导体元件的结温度测量的校准电路、计算机程序产品和方法，其中测量半导体元件和参考温度传感器的结处的相应正向电压，并且通过使用参考温度传感器确定绝对周围温度，并基于绝对周围温度和测量正向电压预测半导体元件的结温度。

虽然在附图和以上说明书中详细图示和描述了本发明，但是这些图示和说明应被认为是说明、例示而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。

通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践请求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤。单个项目或其他单元可以实现权利要求中记载的几个项目的功能。相互不同的从属权利要求中记载的某些手段不意味着这些手段的组合不能用以获利。

计算机程序产品可以存储/分布在适当的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其一部分的光学存储介质或固态介质，但是计算机程序产品也可以以其他形式分发，例如经由因特网或其他有线或无线通信系统。

权利要求中的任何附图标记不应理解为限制其范围。

Claims (14)

1.一种校准半导体元件(20)的结温度测量的方法，所述方法包括：

测量所述半导体元件(20)和参考温度传感器(35)的结处的相应正向电压；

通过使用所述参考温度传感器(35)确定绝对周围温度；以及

基于所述绝对周围温度和测量正向电压预测所述半导体元件(20)的所述结温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定步骤包括基于比例-绝对温度测量原理进行所述绝对周围温度的直接测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在所述半导体元件(20)的校准阶段期间在至少两个不同周围温度下执行所述测量和确定步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括在所述半导体元件(20)的关闭期间提供所述校准阶段。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，还包括在与所述半导体元件具有实质上相同周围温度的地方布置所述参考温度传感器(35)。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述半导体元件(20)的校准电路中布置所述参考温度传感器(35)

7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述半导体元件是发光二极管(20)。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中所述参考温度传感器包括二极管(35)。

9.一种用于校准半导体元件(20)的结温度测量的校准电路，所述校准电路(30)包括：

参考温度传感器(35)，用于测量绝对周围温度；

电压测量装置(33)，用于测量所述半导体元件(20)和所述参考温度传感器(35)的相应结处的正向电压；以及

预测装置(34)，用于基于所述绝对周围温度和测量正向电压预测所述半导体元件(20)的所述结温度。

10.根据权利要求9所述的校准电路，还包括电流源(32)，用于向所述半导体元件(20)和所述参考温度传感器(35)提供测量电流，以允许基于比例-绝对温度测量原理直接测量所述绝对周围温度。

11.根据权利要求9或10所述的校准电路，其中所述校准电路(30)适于在校准阶段期间提供至少两个不同周围温度下的所述正向电压和所述绝对周围温度。

12.根据权利要求9到11中任一项所述的校准电路，其中所述半导体元件是发光二极管(20)。

13.根据权利要求9到12中任一项所述的校准电路，其中所述参考温度传感器包括二极管(35)。

14.一种计算机程序产品，包括当在计算设备上运行时，用于执行权利要求1的步骤的代码装置。

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