CN103995223B - 一种测量发光二极管热特性的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量发光二极管热特性的方法及其装置，测量发光二极管热特性的方法包括动态定标阶段和静态测量阶段，动态定标阶段将发光二极管多次分别置于不同的环境温度下通入电流脉冲，测得不同的温度下发光二极管的电压电流特性曲线，静态测量阶段将发光二极管通入工作电流，测得发光二极管的电压与电流值，再结合不同的温度下发光二极管的电压电流特性曲线求得发光二极管的温升曲线；测量发光二极管热特性的装置包括脉冲恒流控制电路、数据采集器和控温单元。本发明所提供的测量发光二极管热特性的方法结合采用动态定标和静态测量，提高了温升曲线的准确性，同时缩短了测量的时间。

Description

一种测量发光二极管热特性的方法及其装置

技术领域

本发明涉及发光二极管测量技术领域，尤其涉及一种发光二极管热特性测量的方法及其装置。

背景技术

发光二极管(LED)由于体积小、光效高、寿命长等优点，正逐渐取代白炽灯、日光灯等传统光源，成为新一代绿色照明光源。发光二极管的发光机理是电子从高能带到低能带跃迁发射光子，而不是像白炽灯通过热辐射的方式发光的，其发光效率提高很多。目前发光二极管的发光效率已达100lm/W，但外量子效率还不到50％，这意味着发光二极管发光效率仍有很大的提升空间。发光过程中大部分电能转化为热能，如果其热阻过大，热能不能迅速地传导出去，发光二极管芯片PN结温度就会升高，这会导致发光二极管发光的中心波长发生漂移以及出光效率和使用寿命降低。所以降低发光二极管结壳热阻是影响发光二极管进一步发展的重要课题，而有效的热管理首先需要更好的测量发光二极管热特性的技术。

目前常用的能较准确测量发光二极管热阻值的方法为正向电压法。其原理是通过PN结的电流为一定值时，其两端电压与结温近似成线性关系，测得这关系曲线后反过来就可根据定值电流下的结电压得到结温。所以正向电压法测量包含两个过程：定标过程和测量过程，其电压和温度的波形示意图参见图1。定标过程中，控制发光二极管在不同的恒定环境温度下，即给定发光二极管的PN结温度，测出在给定电流(定标电流)下的结电压。为了避免额外的结温升高，定标电流一般为工作电流的1％以下，从而得到在给定电流下结温与电压的关系曲线。测量过程中，保持发光二极管的环境温度不变，通入工作电流并保持足够长的时间，确保结温到达稳定，这时迅速将通入的电流切换为定标电流值，测量发光二极管的端电压，根据定标过程得到的结温与电压的关系即可得到发光二极管的结温，从而进一步计算得到总热阻。

值得注意的是，正向电压法得到的是发光二极管结壳之间总热阻，而不能得到发光二极管各层材料的热阻，于是基于正向电压法提出了动态测量法。第一步仍然是定标过程，测量恒流下结温与电压的线性关系。而第二步是在保持恒定的环境温度下，测量发光二极管从通入工作电流到结温不再发生变化这段时间内的温升曲线，再经过连续化、反卷积、网络变换、微积分等一系列数学处理，便可提取出各层热阻信息。由于定标过程中的定标电流远小于工作电流，所以测量温升曲线时通过发光二极管的电流需要在工作电流与定标电流间相互切换。电流切换的一种方式是通入一定时间工作电流后迅速切换到定标电流，测量发光二极管电压后又立即切换到工作电流，继续加热升温。这种方法忽略了电流切换对温升曲线的影响(实际上由于定标电流远小于工作电流，切换到定标电流的时间内发光二极管的结温必然会下降)，而且电流瞬间切换会产生电扰动，对结温测量的准确性产生影响。以此方式切换电流的动态测量法的电压和温度的波形示意图参见图2。另一种电流切换方式是通入一定时间工作电流后，切换到定标电流进行数据采集，然后等到结温降到环境温度，再通入一定时间的工作电流，只是通过工作电流的时间长于上一次的接通时间，然后再切换到定标电流采集数据。这种方式通过对温升曲线的多次测量近似等效为一次温升，避免了测量过程对温升的影响。但是随着通入工作电流的时间长度逐渐增大，冷却时间会越来越长，测量时间也将大大增加。

要想测量发光二极管从芯片到铝基板各层热阻值就要得到发光二极管从通入工作电流时刻起到结温稳定这段时间内结温的变化曲线，即温升曲线。温升曲线通过结构函数法，经过数据处理即可得到发光二极管各层热阻值。而目前测量发光二极管温升曲线主要采用的是上述静态定标-动态测量法，这种方法得到的温升曲线忽略了电流切换对结温的影响降低了准确性，并且由于测量的时间过长而使得实用性较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种测量发光二极管热特性的方法及其装置，缩短了测量时间，并且提高测量精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种测量发光二极管热特性的方法，包括定标阶段和测量阶段，所述定标阶段包括：将所述发光二极管多次分别置于不同的环境温度下，每次分别使所述发光二极管通入电流脉冲，并测量所述发光二极管两端的电压，得到所述不同的环境温度下所述发光二极管的电压电流特性曲线；所述测量阶段包括：将所述发光二极管置于一恒定的环境温度下，使所述发光二极管通入工作电流，在所述发光二极管的结温上升过程中连续测量所述发光二极管两端的电压和通过的电流；根据所述定标阶段的特性曲线以及所述测量阶段测得的电压值和电流值，求得所述发光二极管的温升曲线。

进一步地，所述定标阶段还包括：根据所述不同的环境温度下所述发光二极管的电压电流特性曲线，转化为所述发光二极管在不同电流下的电压温度特性曲线。

更进一步地，测量发光二极管热特性的方法还包括数据处理阶段，根据所述温升曲线得到所述发光二极管的结构函数曲线，根据所述结构函数曲线确定所述发光二极管从芯片到基板的各层材料的热阻和热容。

更进一步地，所述温升曲线是通过滤波、反卷积、网络变换和微积分方法处理得到所述发光二极管的结构函数曲线。

更进一步地，所述电流脉冲的电流范围为0至所述工作电流。

更进一步地，所述电流脉冲的占空比为10^-1～10^-6。

更进一步地，所述电流脉冲的脉冲宽度为0.1～10μs。

本发明还公开了一种测量发光二极管热特性的装置，用于前面所述的方法，包括脉冲恒流控制电路、数据采集器和控温单元，其中：所述脉冲恒流控制电路连接发光二极管，为所述发光二极管提供驱动电流，使所述发光二极管能通入电流脉冲或者工作电流；所述控温单元用于控制所述发光二极管所置于的环境温度；所述数据采集器连接所述脉冲恒流控制电路和所述发光二极管，用于采集所述发光二极管的电流及电压值。

进一步地，所述控温单元包括控温器和恒温器，其中所述控温器连接所述恒温器，并且控制所述恒温器中的温度；所述发光二极管置于所述恒温器中。

本发明的有益效果是：

本发明提供的测量发光二极管热特性的方法是采用动态定标-静态测量法，来得到发光二极管的温升曲线。在定标阶段，测量不同温度下电流与电压的函数关系，据此可以得到工作电流附近任意一个电流值下发光二极管芯片电压与结温的函数关系；而在测量阶段，真正实现了静态测量，不需要使通过发光二极管芯片的电流在工作电流与定标电流之间跳变，更不需要等待发光二极管芯片冷却后再进行下一次的测量，大大缩短了测量时间，提高了温升曲线的准确性；而且由于在定标阶段已经得出不同温度下电压与电流的关系，则在测量阶段只要知道发光二极管芯片的电压与电流值，就可以根据定标的数据测量其结温，从而可以实现实时测量。

本发明所提供的测量发光二极管热特性的装置，包括脉冲恒流控制电路、数据采集器和控温单元，使得发光二极管可以在不同的温度下分别得出电压电流曲线，从而实现动态定标-静态测量法。

附图说明

图1是现有的正向电压法中发光二极管的驱动电流及结温的变化曲线和对应关系；

图2是现有的动态测量法中发光二极管的驱动电流及结温的变化曲线和对应关系；

图3是本发明实施例的测量发光二极管热特性的装置示意图；

图4是本发明实施例的测量发光二极管热特性的方法中发光二极管的驱动电流及结温的变化曲线和对应关系；

图5是图4中的定标阶段得到的不同温度下的电流-电压曲线；

图6是根据图5得到的不同电流下的电压-温度曲线。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

根据本发明的实施例，测量发光二极管热特性的装置包括脉冲恒流控制电路、数据采集器和控温单元，其中脉冲恒流控制电路连接发光二极管，为发光二极管提供驱动电流，使发光二极管能通入电流脉冲或者工作电流；控温单元用于控制发光二极管所置于的环境温度；数据采集器连接脉冲恒流控制电路和发光二极管，用于采集发光二极管的电流及电压值。

如图3所示，为本发明的测量发光二极管热特性装置的实例，该装置包括脉冲恒流控制电路31、数据采集器32、控温器33、恒温器34、恒流源35和计算机36，该装置用于测量发光二极管30的热特性。如图3所示，计算机36连接控温器33和数据采集器32，数据采集器32连接脉冲恒流电路31和发光二极管30。控温器33通过控制恒温器34的温度来控制置于恒温器34内的发光二极管30的环境温度，脉冲恒流控制电路31可以保证通过发光二极管30的恒流快速接通，同时为发光二极管30提供驱动电流；数据采集器32主要用于发光二极管30与计算机36的桥梁作用，便于发光二极管电流电压的数据采集以及通过电流幅值及开关的控制。进一步地，脉冲恒流控制电路31采用高速窄脉冲恒流控制电路，使得通过发光二极管30的恒流在1μs内高速接通。

以下结合图4至图6来阐述本发明的测量发光二极管热特性的方法，如图4所示为采用本发明的测量发光二极管热特性的方法中发光二极管的驱动电流及结温的变化曲线和对应关系示意图，本发明所采用的测量发光二极管热特性的方法包括以下步骤：

首先是定标阶段。A：设置控温器33，使发光二极管30的环境温度为某一恒定温度；B：设置脉冲恒流电路31通入的脉冲电流的电流范围在0至工作电流之间；C：通过脉冲恒流电路31使发光二极管30通过脉冲宽度为10μs的电流脉冲，并同时测量通过发光二极管30的电压与电流值；D：根据所得到的数据，拟合得到不同温度下电压电流的特性曲线，如图5所示，拟合得到环境温度T分别为30℃、50℃、70℃下的电压电流特性曲线；然后进行数据转换，即拟合出如图6所示的在电流分别为100mA、200mA、300mA下的结温与电压的线性关系。

然后是测量阶段。本发明采用静态测量法，使发光二极管处于一稳定环境温度下，设置工作电流，使发光二极管通电，通电后连续同步地测量发光二极管的电压电流值，直到发光二极管的结温不再上升为止。根据测量的电压电流值，以及定标阶段中得到的不同温度下的电压电流特性曲线，求得发光二极管芯片的温升曲线。

最后是数据处理阶段。得到发光二极管芯片的温升曲线后，利用结构函数法，经过滤波、反卷积、网络变换以及微积分等处理得到发光二极管的结温结构函数图，根据结构函数图，便可读出发光二极管从PN结到基板隔层材料的热阻和热容值。

其中在定标阶段，电流脉冲可能会引起发光二极管的结温变化，而本发明人研究发现，通过精确控制电流脉冲的宽度，可以避免发光二极管的结温变化。当开关闭合后，发光二极管通过恒定电流开始，可认为热量仅在芯片层传输，当电流脉冲宽度t＝10μs时，二极管芯片的温度上升值ΔT＝0.023K，即电流引起的发光二极管芯片的温度变化小于0.1℃，在误差范围内。所以只要能在10μs内完成测量，就可以忽略输入的热功率对结温升高的影响；进一步地，重复测量时电流脉冲的占空比为10^-1～10^-6时，输入的热功率对结温升高的影响更小。故在本发明的优选实施例中在定标阶段发光二极管所输入的电流脉冲的脉冲宽度为0.1～10μs，占空比为10^-1～10^-6。

与现有技术相比，通过本发明的测量发光二极管热特性的方法通过静态测量就能得到发光二极管温升曲线，不需要使通过发光二极管芯片的电流在工作电流与定标电流之间进行跳变，从而提高了温升取芯的准确性，也实现了实时测量；另外也不需要等待发光二极管芯片冷却后进行下一次的测量，只需连续测量直至结温不再上升为止，从而大大缩短了测量时间。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量发光二极管热特性的方法，包括定标阶段和测量阶段，其特征在于：

所述定标阶段包括：将所述发光二极管多次分别置于不同的环境温度下，每次分别使所述发光二极管通入电流脉冲，并测量所述发光二极管两端的电压，得到所述不同的环境温度下所述发光二极管的电压电流特性曲线；

所述测量阶段包括：将所述发光二极管置于一恒定的环境温度下，使所述发光二极管通入工作电流，在所述发光二极管的结温上升过程中连续测量所述发光二极管两端的电压和通过的电流；根据所述定标阶段的特性曲线以及所述测量阶段测得的电压值和电流值，求得所述发光二极管的温升曲线。

2.如权利要求1所述的测量发光二极管热特性的方法，其特征在于，所述定标阶段还包括：根据所述不同的环境温度下所述发光二极管的电压电流特性曲线，转化为所述发光二极管在不同电流下的电压温度特性曲线。

3.如权利要求1所述的测量发光二极管热特性的方法，其特征在于，还包括数据处理阶段，根据所述温升曲线得到所述发光二极管的结构函数曲线，根据所述结构函数曲线确定所述发光二极管从芯片到基板的各层材料的热阻和热容。

4.如权利要求3所述的测量发光二极管热特性的方法，其特征在于，所述温升曲线是通过滤波、反卷积、网络变换和微积分方法处理得到所述发光二极管的结构函数曲线。

5.如权利要求1所述的测量发光二极管热特性的方法，其特征在于，所述电流脉冲的电流范围为0至所述工作电流。

6.如权利要求1所述的测量发光二极管热特性的方法，其特征在于，所述电流脉冲的占空比为10^-1～10^-6。

7.如权利要求1至6任一项所述的测量发光二极管热特性的方法，其特征在于，所述电流脉冲的脉冲宽度为0.1～10μs。

8.一种测量发光二极管热特性的装置，用于权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，包括脉冲恒流控制电路、数据采集器和控温单元，其中：

所述脉冲恒流控制电路连接发光二极管，为所述发光二极管提供驱动电流，使所述发光二极管能通入电流脉冲或者工作电流；

所述控温单元用于控制所述发光二极管所置于的环境温度；

所述数据采集器连接所述脉冲恒流控制电路和所述发光二极管，用于采集所述发光二极管的电流及电压值。

9.如权利要求8所述的测量发光二极管热特性的装置，其特征在于，所述控温单元包括控温器和恒温器，其中所述控温器连接所述恒温器，并且控制所述恒温器中的温度；所述发光二极管置于所述恒温器中。