CN103630820A

CN103630820A - 大功率led热阻测量装置及采用该装置测量大功率led热阻的方法

Info

Publication number: CN103630820A
Application number: CN201310651597.1A
Authority: CN
Inventors: 杨新华; 李季; 徐民; 张博; 李�浩; 陈玉兰; 曹曙光; 孙伟波; 刘缨; 李红星; 高春旭; 孟景华
Original assignee: HEILONGJIANG MEASUREMENT SCIENCE RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: HEILONGJIANG MEASUREMENT SCIENCE RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-03-12

Abstract

大功率LED热阻测量装置及采用该装置测量大功率LED热阻的方法，涉及LED热阻测量技术。它为了解决现有大功率LED热阻测量装置测量精度低的问题。本发明通过控制测量基座表面温度来实现LED结温控制，利用LED结温与热阻具有一定线性关系这一半导体物理特性，通过测量LED结压降实现LED结温与热阻的测量。标准功率源为LED提供标准电流，温度控制装置采用PID调节技术，使测量基座快速达到温度平衡，由于采用接触测量，大大缩短了基座与LED热平衡时间，当温度达到平衡时，用小电流快速点测LED的结压降，通过以上多个温度点的结压降测量，计算出LED的电压温度系数。本发明测量速度快，操作简单，测量精度优于±1%，适用于大功率LED热阻测量。

Description

大功率LED热阻测量装置及采用该装置测量大功率LED热阻的方法

技术领域

本发明涉及LED热阻测量技术。

背景技术

随着科技的进步和发展，LED半导体功率的增大，LED半导体照明正在从传统指示器功能向着照明功能发展。LED半导体照明因其绿色、环保等诸多优点，被认为是取代白炽灯、荧光灯等耗电大、污染环境的传统照明光源的革命性固体光源。LED发光是一个由电能转换成光能的过程，在此过程中，只有20%左右的电能转换成光能，其余均以热能的形式耗散，因此LED作为照明光源，热管理是非常重要的，是功率型LED及灯具设计不可缺少的、甚至最为重要的环节。同时，LED的热性能和LED的光、电性能是密切相关的，由于LED热性能原因，可以造成LED灯使用寿命低、光效不高、易损坏等问题。热阻是大功率LED热学特性的一个重要表征参数，是LED的PN结沿热流上升通道的温度变化与耗散功率的比值，同时LED的光、电参数特性与它的工作时的结温密切相关，同一个LED产品，结温的不同会造成这些参数的明显不同。而测量大功率LED热阻和结温是一项技术难度非常高的工作，目前测量LED热阻装置大多采用温控箱来控制LED的温度。采用恒温箱控制LED的温度属于非接触测量，是通过加热（或制冷）恒温箱里的空气温度使之与LED的散热温度来达到热平衡，当控制温度与测量温度一致，基本不再变化时，用恒温箱的所控制的温度来表征LED的结温。因为是非接触测量LED的温度，不管恒温箱的体积采用多么小，LED作为一个功率比较小的热源，要想达到控制温度的平衡，还是需要很长时间的。这就是测量LED热阻通常需要8个小时以上的主要原因。同时，因为采用非接触测温，LED的结温变化是一个动态过程，其热量传递到恒温箱里是需要一定时间的，无法真正实时测量到LED的PN结温度，存在一定误差。测量精度低，仅为±3%。所以说现有测量技术效率低下、水平不高，无法满足快速发展的LED测量需要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有大功率LED热阻测量装置测量精度低的问题，提供一种大功率LED热阻测量装置及采用该装置测量大功率LED热阻的方法。

本发明所述的大功率LED热阻测量装置包括测量基座、温度控制装置、结电压测量装置、标准功率源和单片机电路，测量基座为带有两个插孔的基座，所述温度控制装置用于控制测量基座的温度，单片机电路的功率控制信号输出端连接标准功率源的功率控制信号输入端，标准功率源的两个电信号输出端分别连接测量基座的两个插孔，所述测量基座的两个插孔分别连接结电压测量装置的两个结电压测量信号输入端，所述结电压测量装置的结电压测量信号输出端连接单片机电路的结电压测量信号输入端。

所述的标准功率源包括可调直流基准信号源和直流功率放大器，所述可调直流基准信号源的直流基准信号输出端连接直流功率放大器的直流基准信号输入端，所述直流功率放大器包括开环直流功率放大器和闭环反馈控制电路。

所述的标准功率源的精度为±0.02%，所述标准功率源有两路功放输出，一路为测试电流，其范围为0-50mA，准确度为±0.02%；另一路为加热电流，其范围为0-2A,准确度为±0.02%。

所述的温度控制装置的温控范围0-100℃，温控精度为±0.3℃。

所述的测量基座与被测LED接触的表面采用镀金处理。

采用上述大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法通过以下步骤实现：

步骤一、将被测LED固定在测量基座上；

步骤二、设定温度T₁，待温度稳定后设定被测LED的加热电流I；

步骤三、再次待温度T₁稳定后，测量该温度下的结压降V₁；

步骤四、保持电流I不变，重复步骤二和步骤三n次，共得到n个结压降V₁至V_n，所述n个结压降V₁至V_n分别对应n个温度T₁至T_n，T₁至T_n依次增大，且所述n为大于1的整数；

步骤五、按照下述公式计算温度系数k：

k = \frac{1}{n - 1} (\frac{V_{2} - V_{1}}{T_{2} - T_{1}} + \frac{V_{3} - V_{2}}{T_{3} - T_{2}} + \cdot \cdot \cdot + \frac{V_{n} - V_{n - 1}}{T_{n} - T_{n - 1}})

步骤六、将被测LED置于密闭空间内，所述密闭空间内的温度为室温T_s；

步骤七、设定被测LED的加热电流，然后测量结压降V_f；

步骤八、设定被测LED的测试电流，然后迅速测量结压降V_a；

步骤九、计算热阻R_θ和结温T_j，

其中，

结温T_j=△T_j+T_s。

本发明所述的大功率LED热阻测量装置通过控制和测量测量基座表面温度来实现LED结温控制，通过测量LED的电压温度系数，达到测量LED热阻的目的。标准功率源作为被测LED的激励电源，用于为被测LED提供工作电流，标准功率源输出的电流值为标准值，单片机减少了电流测量这一环节（因为输出的电流值为标准值），从而缩短了LED结压降及输入功率Pd测量时间，提高了测试精度和效率，标准功率源的精度能够达到±0.02%大大高于目前的稳定源，测试电流为0-50mA，准确度为±0.05%，加热电流（工作电流）为0-2A,准确度为±0.05%；温度控制装置采用PID调节技术，不管多大的温度扰动量，均可快速收敛，达到温度平衡，温度控制装置的温控范围0-100℃，温控精度达到±0.3℃，大大优于目前的温度控制设备；由于采用接触测量，大大缩短了基座与LED热平衡时间，当温度达到平衡时，所测量的测量基座的温度能够真实代表LED的PN结温度，结电压测量装置的测量范围为DC0-5V，准确度为±0.05%。本实施方式所述的大功率LED热阻测量装置测量速度快，操作简单，测量精度优于±1%。

附图说明

图1为本实施方式一所述的大功率LED热阻测量装置的原理框图；

图2为实施方式三中标准功率源的电流转换示意图；

图3为实施方式二中可调直流基准信号源的原理框图；

图4为实施方式二中跨导功率放大器的原理图；

图5为实施方式二中前馈补偿电压功率放大器的原理框图；

图6为实施方式七中实验测得的电压-温度曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的大功率LED热阻测量装置包括测量基座1、温度控制装置2、结电压测量装置3、标准功率源4和单片机电路5，测量基座1为带有两个插孔的基座，所述温度控制装置2用于控制测量基座1的温度，单片机电路5的功率控制信号输出端连接标准功率源4的功率控制信号输入端，标准功率源4的两个电信号输出端分别连接测量基座1的两个插孔，所述测量基座1的两个插孔分别连接结电压测量装置3的两个结电压测量信号输入端，所述结电压测量装置3的结电压测量信号输出端连接单片机电路5的结电压测量信号输入端。

LED的热阻由不同温度下的结压降来计算获得。将被测LED与温控座紧密接触，通过控制和测量测量基座1表面温度来实现LED结温测量，可认为是对LED结温的直接接触测量。标准功率源4用于为被测LED提供工作电流，标准功率源4输出的电流值为标准值，单片机减少了电流测量这一环节（因为输出的电流值为标准值），从而缩短了LED结压降及输入功率Pd测量时间，提高了测试精度和效率，标准功率源4的精度能够达到±0.02%，大大高于目前的稳定源；温度控制装置2采用PID调节技术，不管多大的温度扰动量，均可快速收敛，达到温度平衡；由于采用接触测量，大大缩短了基座与LED热平衡时间，当温度达到平衡时，所测量的测量基座1的温度能够真实代表LED的PN结温度，结电压测量装置3的测量范围为DC0-5V，准确度为±0.05%。本实施方式所述的大功率LED热阻测量装置测量速度快，操作简单，测量精度优于±1%。

具体实施方式二：结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的大功率LED热阻测量装置的进一步限定：本实施方式中，所述的标准功率源4包括可调直流基准信号源和直流功率放大器，所述可调直流基准信号源的直流基准信号输出端连接直流功率放大器的直流基准信号输入端，所述直流功率放大器包括开环直流功率放大器和闭环反馈控制电路。

功率型LED驱动方式多为恒流驱动，即以恒定(标注方式为额定电流及功率)电流的方式工作，本实施方式中的标准功率源4为直流电流标准源，与LED工作方式一致，所述主要包括可调直流基准信号源和直流功率放大器。

可调直流基准信号源的功能由单片机内部两个12位DAC来完成，其原理如图3所示。可调直流基准信号Vo=（Di/D0）×Vref，其中，Vo为可调直流基准信号输出，Di为调幅信号输入，D0为DAC满度值，Vref为DAC直流参考基准。Vo的准确度与分辨率取决于DAC位数和参考电压的准确度，本实施方式中，DAC为12位精度，Vref的温度系数为15ppm/℃，Vo的准确度优于±0.05%，完全满足本实施方式所述的大功率LED热阻测量装置的测试要求。

理想的直流功率放大器不仅能输出一定的功率，以满足点亮大功率LED所需的电流和功率，同时，在信号的放大过程中幅值和附加的噪声误差都尽可能的小，在外界负载变化时，其输出的稳定性和准确度均不能产生较大变化，这样在LED结压降测试时，才能达到较高的精度水平。因为一般的负反馈放大器开环增益不可能无穷大,因此，本实施方式采用了前馈补偿的方法对一般负反馈放大器进行补偿。

直流功率放大器包括两部分，一部分是开环直流功率放大器，另一分部是闭环反馈控制。

LED驱动电源大多以恒流源的方式供电，因此本实施方式的直流功率放大器实际上是一个电压控制的电流功率放大器，其采用的原理为跨导功率放大，主功放采用LM3886型集成功率放大器，其最大电流可输出5A，最大输出功率50W。本实施方式的直流功率放大器一路输出为2A，输出功率为10W，对于单体LED而言，输出电流和输出功率完全可满足所有类型的功率型LED的供电要求，该路输出作为LED的加热电流或工作电流使用；另一路功率放大器最大输出电流为50mA，常用电流值为10mA，该路输出作为LED的结压降测试电流使用，两路功率放大器原理一样，如图4所示，其中：R_t为电流取样电阻，R₁为负载电阻，R_f为反馈电阻，R_i为输入电阻，A为跨导放大器开环增益，U_i为跨导功率放大器的输入电压信号，Ii为跨导功率放大器的输入电流信号，U+为放大器同向输入端电压，U－为放大器反向输入端电压，If为反馈电流，It为通过电流取样电阻的电流，Io为输出电流，Ut为电流取样电阻的端电压。

I_{i} = \frac{U_{i} - U_{-}}{R_{i}}

I_{f} = \frac{U_{-} - U_{t}}{R_{f}}

I_{t} = \frac{0 - U_{t}}{R_{t}} = - \frac{U_{t}}{R_{t}}

I_o=I_f+I_t

I_f=I_i

对于理想放大器，A为无穷大，输入电阻无穷大，所以

U₊=U_-=0

I_{i} = I_{f} &DoubleRightArrow; U_{t} = - \frac{R_{f}}{R_{i}} U_{i}

I_{o} = I_{f} + I_{t} = I_{i} + I_{t} = \frac{U_{i}}{R_{i}} - \frac{U_{t}}{R_{t}} = \frac{U_{i}}{R_{i}} - \frac{1}{R_{t}} (- \frac{R_{f}}{R_{i}} U_{i}) = \frac{R_{t} + R_{f}}{R_{i} Rt} U_{i}

\frac{I_{o}}{U_{i}} = \frac{R_{t} + R_{f}}{R_{t} R_{i}} = K_{i} - - - (1)

由上式可知，输出电流同输入电压成正比，与负载电阻无关，K_i为电压电流转换系数。一般普通放大器其开环放大倍数A不够大时，其主要影响功率放大器的动态指标，包括温度漂移大、负载调整率差、输出稳定性和准确度下降等问题。同时，由公式（1）可知，输出电流的稳定性（短期稳定性和长期稳定性）和取样电阻及输入信号也有关系，反馈电阻和输入电阻因为流过的电流非常小，几乎引不起温度的变化，所以其影响可以忽略不计。取样电阻Rt流过的电流就是输出电流，本实施方式选用温度系数为10ppm/℃的精密电阻，采用超过其最大功率三倍以上冗余设计，但随着机箱温度的变化和自身的温度上升，其阻值变化还是非常明显，从而带来了输出电流的不稳定。解决该问题的唯一办法是引入负反馈控制。一个输出技术指标优良的功率放大器，其闭环反馈控制环节是最为重要的。在本实施方式采用带有前馈补偿功能的负反馈控制来提高功率放大器的技术指标。

闭环负反馈控制通常都采用一般负反馈控制，但因为反馈深度不可能很大（易引起系统自激震荡），因此控制效果不很理想。为此，本实施方式在一般负反馈控制的基础上，引入前馈补偿控制，其控制原理如图5所示。

控制系统传递函数为：

Vo=B×(Vi-βv×Vo)+Kv×Vi

式中：B为前馈误差补偿放大器的放大倍数，βv为加入前馈误差补偿放大器后功率放大器的闭环增益系数，Kv为一般负反馈放大器闭环增益，Vi为前馈补偿电压功率放大器的的输入电压信号，Vo为前馈补偿电压功率放大器的输出电压信号。

一般负反馈放大器闭环增益误差为Ev，则有

Vo×(1+Ev)=Kv×Vi

将上式代入Vo=B×(Vi-βv×Vo)+Vo×(1+Ev)中，得到：

\frac{V_{O}}{V_{i}} = \frac{1}{β_{V}} \times (1 - \frac{E_{V}}{B \times β_{V}}) - - - (2)

由公式（2）式可知，引入前馈误差补偿放大器后，一般负反馈放大器闭环增益误差Ev减小了B×βv倍，适当的选择B的大小，该放大器近似“理想放大器”。采取前馈补偿的方法不仅等效提高了功率放大器的开环增益，而且不会引起系统的振荡，破坏功率放大器的稳定性。

本实施方式中的前馈补偿功率放大器的技术性能为：0-2A输出范围内，幅值精度优于±0.02%，纹波系数优于±0.002%。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的大功率LED热阻测量装置的进一步限定：本实施方式中，所述的标准功率源4的精度为±0.02%，所述标准功率源4有两路功放输出，一路为测试电流，其范围为0-50mA，准确度为±0.02%；另一路为加热电流，其范围为0-2A,准确度为±0.02%。

本实施方式中的标准功率源4有两路功放输出，一路为0-2A输出的工作电流If，另一路为0-50mA输出的测试电流(一般设为10mA)Io。为达到快速切换以提高LED结压降测量速度和精度的目的，两路功率放大器可同时在满负荷下工作，通过输出继电器来进行两路电流的切换，继电器吸合时间为7ms，可在10ms之内点测LED结压降，如图2所示。由于测量时间足够短，LED的结温不会因为输入电流的变化而下降，所以基本可以保证结压降的测量与结温的一致性和唯一性，使LED电压温度系数k的测量达到较高水平。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式二所述的大功率LED热阻测量装置的进一步限定：本实施方式中，所述的温度控制装置2的温控范围0-100℃，温控精度为±0.3℃。

温度控制装置2的温控范围0-100℃，温控精度达到±0.3℃，大大优于目前的温度控制设备，提高了热阻测量的准确度。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的大功率LED热阻测量装置的进一步限定：本实施方式中，所述的大功率LED热阻测量装置它还包括键盘6和显示设备7，所述键盘6的数据输出端连接单片机电路5的键盘数据输入端，所述显示设备7显示控制信号输入端连接单片机电路5的显示控制信号输出端。

键盘6用于在测量过程中设置各参数，如电流和温度，键盘6上设置有“加热电流”键、“测试电流”键、数字键、“确认”键等。显示设备7用于显示温度和电流等信息。

具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的大功率LED热阻测量装置的进一步限定：本实施方式中，所述的测量基座1与被测LED接触的表面采用镀金处理。

测量基座1与被测LED接触的部分（与电极接触处除外）采用镀金处理，大大增加了导热系数。

具体实施方式七：本实施方式是采用实施方式一所述的大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将被测LED固定在测量基座1上；

步骤五、按照下述公式计算温度系数k：

k = \frac{1}{n - 1} (\frac{V_{2} - V_{1}}{T_{2} - T_{1}} + \frac{V_{3} - V_{2}}{T_{3} - T_{2}} + \cdot \cdot \cdot + \frac{V_{n} - V_{n - 1}}{T_{n} - T_{n - 1}})

步骤七、设定被测LED的加热电流，然后测量结压降V_f；

步骤八、设定被测LED的测试电流，然后迅速测量结压降V_a；

步骤九、计算热阻R_θ和结温T_j，

其中，

结温T_j=△T_j+T_s。

大功率LED热阻测量装置的供电电源为220V±5%，50Hz±1%，工作环境温度：20±5℃，湿度低于80%，装置预热30分钟后开始工作。在上述条件下，按照上述方法测量不同温度下的结压降，选取10个温度点进行测量，通常为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100℃这10个温度点。在每个温控点下测量出在这10个温度点下的电压值V1、V2，…，V10，最后通过最小二乘法拟合，求出LED的温度系数k（单位：mV/℃），如图6所示。

具体实施方式八：本实施方式是对实施方式七所述的采用大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法的进一步限定：本实施方式中，所述的步骤四中，相邻两个温度的间隔小于50度。

具体实施方式九：本实施方式是对实施方式七所述的采用大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法的进一步限定：本实施方式中，所述的步骤四中，相邻两个温度的间隔为10度，n=10。

具体实施方式十：本实施方式是对实施方式七所述的采用大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法的进一步限定：本实施方式中，所述的步骤八中的测试电流为10mA。

Claims

1.大功率LED热阻测量装置，其特征在于：它包括测量基座（1）、温度控制装置（2）、结电压测量装置（3）、标准功率源（4）和单片机电路（5），测量基座（1）为带有两个插孔的基座，所述温度控制装置（2）用于控制测量基座（1）的温度，单片机电路（5）的功率控制信号输出端连接标准功率源（4）的功率控制信号输入端，标准功率源（4）的两个电信号输出端分别连接测量基座（1）的两个插孔，所述测量基座（1）的两个插孔分别连接结电压测量装置（3）的两个结电压测量信号输入端，所述结电压测量装置（3）的结电压测量信号输出端连接单片机电路（5）的结电压测量信号输入端。

2.根据权利要求1所述的大功率LED热阻测量装置，其特征在于：所述的标准功率源（4）包括可调直流基准信号源和直流功率放大器，所述可调直流基准信号源的直流基准信号输出端连接直流功率放大器的直流基准信号输入端，所述直流功率放大器包括开环直流功率放大器和闭环反馈控制电路。

3.根据权利要求2所述的大功率LED热阻测量装置，其特征在于：所述的标准功率源（4）的精度为±0.02%，所述标准功率源（4）有两路功放输出，一路为测试电流，其范围为0-50mA，准确度为±0.02%；另一路为加热电流，其范围为0-2A,准确度为±0.02%。

4.根据权利要求1所述的大功率LED热阻测量装置，其特征在于：所述的温度控制装置（2）的温控范围0-100℃，温控精度为±0.3℃。

5.根据权利要求1所述的大功率LED热阻测量装置，其特征在于：它还包括键盘（6）和显示设备（7），所述键盘（6）的数据输出端连接单片机电路（5）的键盘数据输入端，所述显示设备（7）显示控制信号输入端连接单片机电路（5）的显示控制信号输出端。

6.根据权利要求1所述的大功率LED热阻测量装置，其特征在于：所述的测量基座（1）与被测LED接触的表面采用镀金处理。

7.采用权利要求1所述的大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将被测LED固定在测量基座（1）上；

步骤二、设定温度T1，待温度稳定后设定被测LED的加热电流I；

步骤五、按照下述公式计算温度系数k：

k = \frac{1}{n - 1} (\frac{V_{2} - V_{1}}{T_{2} - T_{1}} + \frac{V_{3} - V_{2}}{T_{3} - T_{2}} + \cdot \cdot \cdot + \frac{V_{n} - V_{n - 1}}{T_{n} - T_{n - 1}})

步骤七、设定被测LED的加热电流，然后测量结压降V_f；

步骤八、设定被测LED的测试电流，然后迅速测量结压降V_a；

步骤九、计算热阻R_θ和结温T_j，其中，结温T_j=△T_j+T_s。

8.根据权利要求7所述的采用大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法，其特征在于：所述的步骤四中，相邻两个温度的间隔小于50度。

9.根据权利要求7所述的采用大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法，其特征在于：所述的步骤四中，相邻两个温度的间隔为10度，n=10。

10.根据权利要求7所述的采用大功率LED热阻测量装置测量大功率LED热阻的方法，其特征在于：所述的步骤八中的测试电流为10mA。