CN103792003B - 基于led系统的照明效率和光通量的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法，照明效率预测方法包括：计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io；根据公式E＝k_t(T_j‑T_o)+E_ioexp(‑k_iI),(I＞0,I≠0)，计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E。光通量的预测方法可在得到照明效率的基础上，再根据公式φ_v＝EP，计算LED系统的光通量φ_v。本发明操作简单，只需测量LED器件的照明效率在恒定电流和恒定结温下的两条变化曲线，就可以得到数学模型中的参数，将参数代入到由数学模型所编成的软件工具中，便可以预测出LED系统动态和稳态情况下的照明效率和光通量，且预测精度高。

Description

基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法

技术领域

本发明涉及LED系统光性能与热性能预测技术领域，特别是涉及一种基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，大功率LED系统的性能得到了很大程度的提高。大功率LED系统将有望并逐渐成为可以取代白炽灯和荧光灯的照明光源。到目前为止，LED灯的效率已经远远超过白炽灯，并正在逐渐赶上和正在努力超过荧光灯，它已经成为一种新型的绿色照明光源。与荧光灯相比，LED灯有很多优点，例如容易调光、不需要惰性气体来产生等离子体、稳定性强、不易碎等。然而，虽然LED灯有这么多优点，但目前它的应用仍然局限于中低功率场合，如装饰、显示、手电筒、汽车前灯等中低功率场合，在公共照明领域，LED灯还不能完全取代荧光灯。

目前LED灯不能完全取代荧光灯的主要原因是，LED的照明效率会随着工作时间的延长而逐渐减弱。过去的诸多研究表明，LED器件的结温和注入电流两个因素均会对LED的照明效率产生影响。也就是说LED灯的照明效率将依赖于它的结温和注入电流两个因素。为了应用于公共照明领域，LED系统须提供足够的亮度。这时大功率LED系统就需要由多个LED器件组合而成。然后,由于LED器件的大部分能量都用于产生热能，就目前的工艺制造来说，LED器件大约将80％的电能转化为热能。多个LED器件组装到一起工作，会导致更高热量的聚集。LED系统为了保证一定的光通量和稳定的光输出，为了尽量减少结温对照明效率的影响，必须采用相应的散热方案。

LED系统的生产厂家和研究团队都在努力研发预测LED系统的照明效率和发射光通量的方法。准确预测LED系统的照明效率和发射光通量，对LED系统的设计有很好的指导作用，能够帮助厂家根据预测值而制定设计方案，从而最优化LED系统设计。

目前，现有技术中的一种预测光通量的方法是香港Ronhui教授提出来的PET理论。PET理论的提出对LED性能的预测起到了引导作用，它解释了输出光通量与结温之间的关系，也给出了最优化LED系统设计的方案。在此之后，一种动态PET理论又被提了出来，此动态PET理论先是基于对LED系统的热模型建立，再对瞬态结温温度进行数学模型构建，最后再将得到的动态结温数学模型代入到原Ronhui教授提出的PET理论中的光通量数学模型中，从而得到了动态的光通量数学模型。

基于香港Ronhui教授的PET理论所预测的光通量会和实际测量的光通量存在一定的误差。造成实际光通量与预测光通量之间存在误差的原因就是缺乏对照明效率的准确定义。使用Ronhui教授的PET理论来预测光通量的不足在于，它把照明效率的降低仅仅归因于温度，并没有考虑注入电流对照明效率的影响。实际上照明效率应该依赖于结温和电流两个因素。如果仅仅考虑结温的话，那么所构建的照明效率的数学模型将不精确，并且也缺乏了实际应用意义。照明效率定义成总输出光通量除以总的输入电功率。众所周知，照明效率会受到温度的影响，现有技术给出了温度影响发光效率的理论模型：

E＝E_o[1+k_e(T_j-T_o)]，

上述理论模型没有考虑注入电流对照明效率的影响。实际上，通过测试得知，注入电流的大小也会对照明效率产生影响，这是香港Ronhui教授提出的最优化LED系统设计的方法的主要不足之处。

第二个不足，在于用于预测LED系统的动态光通量的数学模型，香港Ronhui教授提出的最优化LED系统设计的方法的第二不足，在于他的方法所基于的动态光通量的数学模型的不足。香港Ronhui教授提出的方法中所采用的动态光通量的数学模型也没有考虑注入电流对亮度的影响，而仅仅考虑了结温的影响，这就造成了对LED系统动态性能预测的不精确。

因此，针对上述技术问题，需要提出一种基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有的不足，本发明提供了一种基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法，既考虑了结温对亮度的影响，也考虑了电流对亮度的影响。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于LED系统的照明效率的预测方法，所述LED系统包括热沉及安装于热沉上的一个或多个LED器件，所述方法包括以下步骤：

S11、计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io；

S12、根据公式E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)，计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S11具体为：

S111、在LED系统结温恒定条件下，测量照明效率E随输入电流I变化的第一曲线，并对第一曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定衰减系数k_i和最大照明效率E_io；

S112、在LED系统输入电流恒定条件下，测量照明效率E随结温T_j变化的第二曲线，并对第二曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定下降系数k_t。

作为本发明的进一步改进，所述LED系统中的各个LED器件完全相同，所述结温T_j为动态结温时，动态结温为：

$\begin{array}{c}{T}_{j,dynamic}=\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a\]\end{array},$

动态结温条件下的动态照明效率为：

$\begin{array}{c}E=k_t\[(-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+E_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

作为本发明的进一步改进，所述结温T_j为稳态结温时，稳态结温为：

T_j,steady＝T_a+(R_jc+NR_hs)k_hP_d，

稳态结温条件下的稳态照明效率为：

E＝k_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+E_ioexp(-k_iI)，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

相应地，一种基于LED系统的光通量的预测方法，所述LED系统包括热沉及安装于热沉上的一个或多个LED器件，所述方法包括以下步骤：

S21、计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io；

S22、根据公式E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E；

S23、根据公式φ_v＝EP，计算LED系统的光通量φ_v，其中，E是LED系统的照明效率，P是LED系统的电功率。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S21具体为：

S211、在LED系统结温恒定条件下，测量照明效率E随输入电流I变化的第一曲线，并对第一曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定衰减系数k_i和最大照明效率E_io；

S212、在LED系统输入电流恒定条件下，测量照明效率E随结温T_j变化的第二曲线，并对第二曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定下降系数k_t。

作为本发明的进一步改进，所述LED系统中的各个LED器件完全相同，每个LED器件的照明效率和电功率均相等，LED系统的光通量φ_v＝NEP_d即φ_v＝N[k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI)]P_d，其中，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

作为本发明的进一步改进，所述结温T_j为动态结温时，动态结温为：

$\begin{array}{c}{T}_{j,dynamic}=\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a\]\end{array},$

动态结温条件下的动态照明效率为：

$\begin{array}{c}E=k_t\[(-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+E_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

动态结温条件下的动态光通量为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{v,dynamic}={\mathrm{NP}}_d{k}_t\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+{\mathrm{NP}}_d{E}_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为LED器件的电功率。

作为本发明的进一步改进，所述结温T_j为稳态结温时，稳态结温为：

T_j,steady＝T_a+(R_jc+NR_hs)k_hP_d，

稳态结温条件下的稳态照明效率为：

E＝k_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+E_ioexp(-k_iI)，

稳态结温条件下的稳态光通量为：

φ_v,steady＝NP_dk_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+NP_dE_ioexp(-k_iI)，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，P_d为LED器件的电功率。

本发明操作简单，只需测量LED器件的照明效率在恒定电流和恒定结温下的两条变化曲线，就可以得到数学模型中的参数，将参数代入到由数学模型所编成的软件工具中，便可以预测出LED系统动态和稳态情况下的照明效率和光通量，且预测精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于LED系统的照明效率的预测方法流程图；

图2为本发明基于LED系统的光通量的预测方法流程图；

图3为本发明中LED系统的热模型示意图；

图4为本发明一具体实施方式中结温恒定在25℃时，LED器件的照明效率随输入电流的变化曲线图；

图5为本发明一具体实施方式中输入电流恒定在0.4A时，LED器件的照明效率随结温的变化曲线图；

图6为图4中照明效率随输入电流的变化曲线图的拟合示意图；

图7为图5中照明效率随结温的变化曲线图拟合示意图；

图8为本发明一具体实施方式中预测的照明效率及测量的照明效率随结温的变化曲线图；

图9为本发明一具体实施方式中预测的照明效率及测量的照明效率随注入电流的变化曲线图；

图10为本发明一具体实施方式中预测的LED系统的光通量值的曲线图；

图11为本发明一具体实施方式中实际测量的LED系统的光通量值的曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

随着输入电流的增加，LED系统的输出光通量并不是线形增强的，甚至当电流增加到某一程度时，输出光通量将开始随着电流的增大而下降。这就造成许多LED系统生产厂家所生产出来的产品不能满足设定的性能指标，即输出光通量低于标定值。另外，就目前香港Ronhui教授所提出来的最优化LED系统设计的方法来说，它仅仅将光通量的下降归于结温的影响，而没有考虑电流的影响。本发明针对这点，提出了一种基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法，考虑了结温和注入电流对光通量的双重影响，预测精度得到了提高，并且预测方法也更具有实际意义。精确预测光通量将对LED系统设计是否达到设计指标具有良好的指导意义，从而能够用于最优化LED系统设计。

本发明中LED系统包括热沉及安装于热沉上的一个或多个LED器件，以下对LED系统的照明效率和光通量的预测分别进行说明。

参图1所示，一种基于LED系统的照明效率的预测方法，包括以下步骤：

S11、测量LED系统中所使用的LED器件的特性。计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io。

步骤S11具体为：

S111、在LED系统结温恒定条件下，测量照明效率E随输入电流I变化的第一曲线，并对第一曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定衰减系数k_i和最大照明效率E_io。优选地，在LED器件结温恒定于25℃的条件下，测量其照明效率随输入电流的变化。测试时，需保证每个数据点必须是在恒定结温25℃的情况下进行测试的，这就避免了器件自热对标定电流与照明效率的影响。

S112、在LED系统输入电流恒定条件下，测量照明效率E随结温T_j变化的第二曲线，并对第二曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定下降系数k_t。

S12、根据公式E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)，计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E。

本发明中所提到的照明效率的数学模型是首次提出的，如上述公式所示。其中k_t是照明效率随结温的下降系数，k_t由器件本身的特性来决定，与发光颜色和半导体芯片的材料有关。对于GaInN/GaN的白光LED来说，它是一个常量，不会随外界条件的变化而变化。k_i是照明效率随电流的衰减系数，是定性衰减速度的一个参数，优选地，T_o＝25℃。E_io是典型温度25℃下的最大照明效率。有文献指出InGaN/GaNLEDs在很低的注入电流情况下就会较早的展现最大的量子效率，一般是在几毫安培的量级。当电流超过这个几毫安培的量级，量子效率就开始单调下降。甚至在恒定结温的情况下，此现象也会发生。数学模型E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)中的E_io描述的是这个在几毫安培的量级下LED所展现的最大照明效率。

将步骤S11中得到的LED器件的特性参数带入到照明效率的数学模型中便得到具体器件的照明效率的数学模型。此具体器件的照明效率的数学模型，可以用来预测具体器件在任何结温和电流下的照明效率。

将上述具体器件的照明效率模型编写成电脑程序，并形成电脑上的软件工具，这样就将此具体器件的照明效率的数学模型进行了软件工具化，只要在软件工具中输入工作条件，如工作结温和电流，便可以预测出在此工作条件下的LED系统的的照明效率。

参图2所示，一种基于LED系统的光通量的预测方法，包括以下步骤：

S21、计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io；

S22、根据公式E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E；

S23、根据公式φ_v＝EP，计算LED系统的光通量φ_v，其中，E是LED系统的照明效率，P是LED系统的电功率。

其中，光通量预测方法中步骤S21和步骤S22与照明效率预测方法的步骤S11和步骤S12完全相同，在此不再进行赘述。

本发明在理想状态下进行说明，假设LED系统中的各个LED器件完全相同，每个LED器件的照明效率和电功率均相等，LED系统的光通量：

φ_v＝NEP_d，

即：

φ_v＝N[k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI)]P_d，

其中，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

将上述所得到的具体LED器件的稳态照明效率的数学模型带入，便得到了具体器件的稳态光通量的数学模型φ_v＝N[k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI)]P_d。该数学模型表达了光通量相对于电流和结温的函数。这个模型的物理意义在于，它表明了LED系统输出光通量的下降是由电流和结温共同作用的结果。这个数学模型的提出使预测LED系统所输出的光通量成为可能，同时可用于最优化LED系统设计，使所设计的LED系统能够获得最大的光输出。

LED系统是由一个或者多个LED器件安置在一个热沉上构成，上述照明效率指的是LED系统的动态照明效率和稳态照明效率，光通量所指的是LED系统的动态光通量和稳态光通量。

照明效率数学模型和光通量数学模型中，均含有结温T_j这个参数。由于T_j是不可以直接测量的参数，这个参数的存在给预测带来了一定程度的困难。为了解决T_j对预测光通量所带来的困难，可以用器件和热沉的外部参数来代替T_j。

图3是LED系统的热模型示意图，此LED系统由N个LED器件安装在一个热沉上所构成。通过测量LED器件的PN结到外壳之间的热阻、热容，及热沉的热阻、热容，便可以预测T_j。

结温T_j为动态结温时，动态结温为：

$\begin{array}{c}{T}_{j,dynamic}=\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a\]\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为LED器件的电功率。

代入上述照明效率数学模型即可得到动态结温条件下的动态照明效率为：

$\begin{array}{c}E=k_t\[(-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+E_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array}.$

结温T_j为稳态结温(即动态结温中t→+∞)时，稳态结温为：

T_j,steady＝T_a+(R_jc+NR_hs)k_hP_d，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，P_d为LED器件的电功率。

代入上述照明效率数学模型即可得到稳态结温条件下的稳态照明效率为：

E＝k_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+E_ioexp(-k_iI)。

将上述动态照明效率数学模型、稳态照明效率数学模型编写成电脑程序，便形成了电脑上的预测动态照明效率和稳态照明效率的软件工具。设计者只需在软件中输入LED器件和热沉的特性参数，便可以得到预测的LED系统的动态和稳态照明效率的值。

同样地，将上述动态照明效率和稳态照明效率代入到光通量数学模型中，即可得到：

动态结温条件下的动态光通量为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{v,dynamic}={\mathrm{NP}}_d{k}_t\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+{\mathrm{NP}}_d{E}_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为LED器件的电功率。

稳态结温条件下(即动态结温中t→+∞)的稳态光通量为：

φ_v,steady＝NP_dk_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+NP_dE_ioexp(-k_iI)，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，P_d为LED器件的电功率。

将上述动态光通量数学模型、稳态光通量数学模型编写成电脑程序，便形成了电脑上的预测动态光通量和稳态光通量的软件工具。设计者只需在软件中输入LED器件和热沉的特性参数，便可以得到预测的LED系统的动态和稳态光通量的值。

以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

在本发明的一具体实施方式中，LED系统含有8颗CREELED器件和相应热沉。所用CREE器件的型号为：Cree-XREWHT-L1-0000-00C01，热沉的型号为：510AB0500MB。

步骤一，测量此LED系统中所使用的CREE LED器件的特性。

第一，使LED系统结温恒定于25℃，测量其照明效率随输入电流的变化。图4是在结温恒定在25℃时，所测量的LED系统的照明效率随电流增加而下降的曲线，其中每个数据点的测试都必须在同一结温下进行，避免了器件自热对输入电流与照明效率的影响。

第二，对LED系统进行第二次测试，此时维持输入电流恒定在0.4A，测量LED系统照明效率随结温增加的变化曲线。图5则是在输入电流等于0.4A时，所测量的LED系统的照明效率随温度变化的曲线。

步骤二，再对测量的图4和图5中的两条曲线进行拟合，如图6和图7。从拟合曲线中，便可以找到LED系统的照明效率的数学模型所需要的参数。从图7中，得到k_t＝-0.1742(lm/(W*℃))。从图6中，得到E_io＝110.06(lm/W)，k_i＝0.4808(lm/(W*A))。

步骤三，将步骤二中得到的三个参数k_t＝-0.1742(lm/(W*℃))，E_io＝110.06(lm/W)，k_i＝0.4808(lm/(W*A))代入到本发明所提出来的照明效率的数学模型中，得到：

E＝-0.1742(T_j-25)+110.06exp(-0.4808I)，(I>0,I≠0)，

这样便可以用来预测任何结温和电流下的照明效率。

步骤四，将步骤三中得到的LED系统的照明效率模型编写成电脑程序，并形成电脑上的软件工具。这样就将此LED系统的照明效率的数学模型进行了软件工具化，只要在软件工具中输入工作条件，如工作结温和电流，便可以预测出在此工作条件下的LED系统的的照明效率。图8和图9为用此方法预测的在各个结温和各个输入电流下的照明效率。预测的曲线和实际测量曲线非常吻合，证明了此方法的精确性。

步骤五，光通量的预测方法。此LED系统含有8颗CREE LED器件和相应热沉。因此理想状态下光通量应为：

φ_v＝8EP_d。

步骤六，将步骤三中所得到的LED系统的照明效率代入到上述数学模型中，便得到了LED系统的光通量的数学模型：

φ_v＝8[-0.1742(T_j-25)+110.06exp(-0.4808I)]P_d。

步骤七，LED系统的照明效率数学模型和LED系统的光通量数学模型中，均含有结温T_j这个参数。T_j的存在给预测带来了一定程度的困难。为了解决这个困难，这里用器件和热沉的外部参数来代替T_j。

结温T_j为动态结温时，动态结温为：

$\begin{array}{c}{T}_{j,dynamic}=\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{8C_{jc}{R}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-8R_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+8R_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+8R_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a\]\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，P_d为LED器件的电功率。

结温T_j为稳态结温(即动态结温中t→+∞)时，稳态结温为：

T_j,steady＝T_a+(R_jc+8R_hs)k_hP_d，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，P_d为LED器件的电功率。

步骤八，将步骤七中得LED系统的动态结温的数学模型和稳态结温的数学模型，代入到LED器件的照明效率数学模型中，便得到了LED系统的动态照明效率数学模型和稳态照明效率数学模型：

动态照明效率：

$\begin{array}{c}E=-0.1742\[(-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{8C_{jc}{R}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-8R_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+8R_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+8R_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-25\]+110.06\exp \left(-0.4808I\right)\end{array};$

稳态照明效率：

E＝-0.1742[(R_jc+8R_hs)k_hP_d+T_a-25]+110.06exp(-0.4808I)。

步骤九，将步骤七中得LED系统的动态结温的数学模型和稳态结温的数学模型，代入到LED系统的光通量数学模型中，便得到了LED系统的动态光通量数学模型和稳态光通量的数学模型：

动态光通量：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{v,dynamic}=8*\left(-0.1742\right)P_d\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{8C_{jc}{R}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-8R_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+8R_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+8R_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-25\]+8*110.06P_d\exp \left(-0.4808I\right)\end{array};$

稳态光通量：

φ_v,steady＝8*(-0.1742)P_d[(R_jc+8R_hs)k_hP_d+T_a-25]+8*110.06P_dexp(-0.4808I)。

步骤十，将动态照明效率数学模型和稳态照明效率数学模型编写成电脑程序，便形成了电脑上的预测动态照明效率和稳态照明效率的软件工具。设计者只需在软件中输入此CREELED系统中器件和热沉的特性参数，便可以得到预测的此CREELED系统的动态和稳态照明效率的值。

将动态光通量数学模型和稳态光通量的数学模型编写成电脑程序，便形成了电脑上的预测动态光通量和稳态光通量的软件工具。设计者只需在软件中输入此CREE LED系统中器件和热沉的特性参数，便可以得到预测的此CREE LED系统的动态和稳态光通量的值。

步骤十一，根据测量所得到的CREE LED器件的特性参数为：R_jc＝12℃/W，C_jc＝0.05J/℃，k_h＝0.8，根据测量所得到的CREE LED系统中的热沉参数为：R_hs＝4.5℃/W，C_hs＝113.33J/℃，环境温度为：T_a＝28℃。将R_jc＝12℃/W，C_jc＝0.05J/℃，k_h＝0.8，R_hs＝4.5℃/W，C_hs＝113.33J/℃，T_a＝28℃代入到步骤十中根据数学模型所编成的软件中，便可以预测光通量的值，如图10所示。为了验证此方法的准确性，图11给出了实际测量的光通量。图10和图11能够很好的吻合，证明了此方法的有效性。

由以上技术方案可以看出，本发明基于LED系统的照明效率和光通量的预测方法既考虑了结温对亮度的影响，也考虑了电流对亮度的影响。所提出的数学模型比现有的模型更为精确和更具有实际意义，基于这些数学模型的预测方法就变得更为精确，本发明可以使预测值更为接近真实值。

本发明操作简单，只需测量LED器件的照明效率在恒定电流和恒定结温下的两条变化曲线，就可以得到数学模型中的参数，将参数代入到由数学模型所编成的软件工具中，便可以预测出LED系统动态和稳态情况下的照明效率和光通量，且预测精度高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于LED系统的照明效率的预测方法，所述LED系统包括热沉及安装于热沉上的一个或多个LED器件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S11、计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io；

S12、根据公式E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)，计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S11具体为：

S111、在LED系统结温恒定条件下，测量照明效率E随输入电流I变化的第一曲线，并对第一曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定衰减系数k_i和最大照明效率E_io；

S112、在LED系统输入电流恒定条件下，测量照明效率E随结温T_j变化的第二曲线，并对第二曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定下降系数k_t。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED系统中的各个LED器件完全相同，所述结温T_j为动态结温时，动态结温为：

$\begin{array}{c}{T}_{j,dynamic}=\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a\]\end{array},$

动态结温条件下的动态照明效率为：

$\begin{array}{c}E=k_t\[(-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+E_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述结温T_j为稳态结温时，稳态结温为：

T_j,steady＝T_a+(R_jc+NR_hs)k_hP_d，

稳态结温条件下的稳态照明效率为：

E＝k_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+E_ioexp(-k_iI)，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

5.一种基于LED系统的光通量的预测方法，所述LED系统包括热沉及安装于热沉上的一个或多个LED器件，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S21、计算照明效率E随结温的下降系数k_t、照明效率E随输入电流的衰减系数k_i、以及恒定结温T_o下的最大照明效率E_io；

S22、根据公式E＝k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI),(I>0,I≠0)计算LED系统在任何结温T_j和输入电流I下的照明效率E；

S23、根据公式φ_v＝EP，计算LED系统的光通量φ_v，其中，E是LED系统的照明效率，P是LED系统的电功率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S21具体为：

S211、在LED系统结温恒定条件下，测量照明效率E随输入电流I变化的第一曲线，并对第一曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定衰减系数k_i和最大照明效率E_io；

S212、在LED系统输入电流恒定条件下，测量照明效率E随结温T_j变化的第二曲线，并对第二曲线进行拟合，根据拟合得到的表达式确定下降系数k_t。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述LED系统中的各个LED器件完全相同，每个LED器件的照明效率和电功率均相等，LED系统的光通量φ_v＝NEP_d即φ_v＝N[k_t(T_j-T_o)+E_ioexp(-k_iI)]P_d，其中，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述结温T_j为动态结温时，动态结温为：

$\begin{array}{c}{T}_{j,dynamic}=\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a\]\end{array},$

动态结温条件下的动态照明效率为：

$\begin{array}{c}E=k_t\[(-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+E_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

动态结温条件下的动态光通量为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_{v,dynamic}={\mathrm{NP}}_d{k}_t\[-R_{jc}{k}_h{P}_d\left(\frac{C_{jc}{\mathrm{NR}}_{hs}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+1\right)e^{-\frac{t}{C_{jc}{R}_{jc}}}\\ -k_h{P}_d\left(\frac{-{\mathrm{NR}}_{hs}{R}_{jc}{C}_{jc}}{C_{jc}{R}_{jc}-C_{hs}{R}_{hs}}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)e^{-\frac{t}{C_{hs}{R}_{hs}}}\\ +\left(R_{jc}+{\mathrm{NR}}_{hs}\right)k_h{P}_d+T_a-T_o\]+{\mathrm{NP}}_d{E}_{io}\exp \left(-k_{i}I\right)\end{array},$

其中，R_jc为LED器件的热阻，C_jc为LED器件的热容，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，C_hs为热沉的热容，T_a为环境温度，N为LED系统中LED器件的个数，N大于或等于1，P_d为单个LED器件的电功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述结温T_j为稳态结温时，稳态结温为：

T_j,steady＝T_a+(R_jc+NR_hs)k_hP_d，

稳态结温条件下的稳态照明效率为：

E＝k_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+E_ioexp(-k_iI)，

稳态结温条件下的稳态光通量为：

φ_v,steady＝NP_dk_t[(R_jc+NR_hs)k_hP_d+T_a-T_o]+NP_dE_ioexp(-k_iI)，

其中，R_jc为LED器件的热阻，k_h是LED器件的热消耗系数，R_hs为热沉的热阻，T_a为环境温度，P_d为单个LED器件的电功率。