CN104036144A - 一种脉冲式led电压-电流-结温特性建模方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法，涉及LED器件。输入样本数据并根据样本数据中，电压和电流的输入范围确定电压和电流输入的节点向量；利用样本数据中的输入变量和确定的节点序列，计算各个样本数据对应的B样条基函数的值；将B样条基函数的值组成基函数矩阵B；从样本数据中提取输出变量结温将其组成结温向量G；利用最小二乘计算控制向量矩阵H_op＝pinv(B)×G，其矩阵元素即为控制系数h_u,v；获得LED器件电压-电流-结温的B样条模型。

Description

一种脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法

技术领域

本发明涉及LED器件，尤其是涉及基于B样条的一种脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种非常环保、节能的半导体照明器件。然而，LED器件的散热问题一直是制约其发展的重要因素之一，为了研究并解决LED器件PN结上的散热问题，需要对其PN结温度进行准确的测量，以便更好地对这些热量进行管理和控制，从而改进LED的结构。目前，LED器件的PN结温度检测方法有很多，例如红外热像仪法、电致和光致发光法、电学参数法等，其中电学参数法简单、快捷且为非侵入式检测方法，应用十分广泛。在电学参数法中，脉冲式方法由于采用了脉冲电流驱动LED，使得LED器件PN结区处于发热与散热的交替过程，不会造成大的热积累或大的温升，能够有效地提高测量的精度。

然而，现有的脉冲式检测方法，均假设LED器件的正向电压和温度在一定的工作电流和温度范围内是线性关系，从而计算正向电压与结温的敏感系数S，即S＝dV_F/dT。这里，V_F为LED器件的正向电压，T为PN结温度。对于同一LED器件，该敏感系数均假定为常数(温怀疆,牟同升.脉冲法测量LED结温、热容的研究[J],光电工程,2010,37(7):53-59)。现有的方法，一方面将电压和结温的关系假设为线性，另一方面未考虑电流对结温的影响，因此这种假设是存在误差的。LED器件的结温与其正向电压和工作电流均存在一定程度的非线性关系，电压和电流的变化都会导致结温的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供基于B样条算法，用于建立LED器件电压-电流-结温的关系模型，从而提高脉冲法的测量精度，可用于LED器件结温的快速测量，从而实时监控LED的工作状态，并分析其散热性能，以便进一步对其结构进行改进的一种脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法。

本发明包括如下步骤：

1)输入样本数据并根据样本数据中，电压和电流的输入范围确定电压和电流输入的节点向量；

2)利用样本数据中的输入变量和步骤1)中确定的节点序列，计算各个样本数据对应的B样条基函数的值；

3)将步骤2)中得到的B样条基函数的值组成基函数矩阵B，其维数为(n×m)×[(L+k-1)×(M+k-1)]；

4)从样本数据中提取输出变量结温将其组成结温向量G，其维数为(n×m)×1；

5)利用最小二乘计算控制向量矩阵H_op＝pinv(B)×G，其矩阵元素即为控制系数h_u,v；

6)获得LED器件电压-电流-结温的B样条模型：

$S(U_{\mathrm{\α}},I_{\mathrm{\β}})=\underset{u=-k+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{v=-k+1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\left[h_{u,v}{B}_{u,t_1}^k\left(U_{\mathrm{\α}}\right)B_{v,t_2}^k\left(I_{\mathrm{\β}}\right)\right].$

利用本发明所述脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法实现LED器件在工作过程中实时结温检测的流程，包括以下步骤：

1)在LED器件非工作阶段，用脉冲法获得该器件在不同电压、电流下的结温数据，即样本数据集；利用所述脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法和样本数据集建立该LED器件的电压-电流-结温模型，并储存；

2)在LED器件工作阶段，其工作电压和电流可以用相关检测设备实时检测，此时将实时的工作电压和电流作为输入代入步骤1)建立的模型中，其输出即为当前的LED器件的结温。

本发明可以利用有限的LED电压-电流-结温的测试点数据，建立该LED器件的电压-电流-结温特性模型。本发明以B样条作为模型的基本框架，以LED的电压和电流为输入，以结温为输出，建立两输入单输出的数学模型，并利用最小二乘法计算B样条模型中的控制系数。该模型可用于对LED器件的快速结温测量，对于建立LED的可靠性分析模型、合理地改进LED结构和散热设计以及实时监控LED器件的工作状态具有重大的意义。

具体实施方式

以下实施例将对本发明作进一步的说明。

在一定的工作电流和温度的范围内，LED的PN结正向电压V_F与工作电流I_F和结温T存在如下函数关系：

$V_F=V_{g\left(0\right)}-\left(\frac{k}{q}\ln \frac{C}{I_F}\right)T-\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln T^r---\left(1\right)$

式中q为电子电荷、k为玻尔兹曼常数、I_n为反向饱和电流、C是与PN结面积、掺杂浓度等有关的常数、r在一定范围内也是常数、V_g(0)为绝对零度时PN结材料的导带底与价带顶的电势差，对于相同材料的PN结，V_g(0)为定值。从式(1)中可看出，LED器件的电压、电流和温度三者互相联系并且存在一定的非线性关系。

在实际的工作中，LED的结温T通常无法直接测量，由式(1)可知，可以通过测量正向电压V_F与工作电流I_F来间接地测量LED的结温。然而，LED的结温T、正向电压V_F与工作电流I_F三者的关系较为复杂，且存在一定的非线性度，因此脉冲法获得一定数量的样本数据，进而利用一定的算法对其进行建模。

LED器件的电压-电流-结温之间是一个两输入单输出的模型(电流和电压为输入，结温为输出)，本发明采用B样条的方法对其进行建模。

给定一组两输入单输出样本数据其中，输入序列和分别表示电压和电流，是[U_min,U_max]和[I_min,I_max]区间内的单调递增数列，U_min,U_max分别是电压的最小值和最大值，I_min,I_max分别是电流的最小值和最大值；输出序列表示LED的结温；α,β分别是样本数据中电压和电流的编号；n,m分别是电压和电流的采样点数，因此所有样本数据的点数为n×m。

首先，在电压和电流两个方向给出单调非减的节点序列：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{1,-k+1}\&le;...\&le;t_{\mathrm{1,0}}<t_{\mathrm{1,1}}<...<t_{1,L-1}\&le;...\&le;t_{1,L+k-2}\\ t_{2,-k+1}\&le;...\&le;t_{\mathrm{2,0}}<t_{\mathrm{2,1}}<...<t_{2,M-1}\&le;...\&le;t_{2,M+k-2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，分别为电压和电流的内节点，t为节点序列的元素，取值范围与输入序列相同；而其它节点为外节点；L,M分别为电压和电流内节点的维数。节点(尤其是内节点)的数量和分布将直接影响B样条的拟合精度。这里，假设外节点为等差数列，且公差等于该方向上输入序列的取值范围(如电压方向上，外节点序列的公差为U_max-U_min)。k为B样条的阶数(次数为k-1)。在实际应用中，一般采用4阶(3次，k＝4)B样条。

对B样条基函数的定义有很多种，其中应用最为广泛的是递推定义。对于电压，其B样条基函数可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{u,t_1}^1\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t_{1,u}<U_{\mathrm{\&alpha;}}\&le;t_{i,u+1}\\ 0,& \mathrm{other}\end{array}\right.\\ B_{u,t_1}^k\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)=\frac{U_{\mathrm{\&alpha;}}-t_{1,u}}{t_{1,u+k-1}-t_{1,u}}{B}_{u,t_1}^{k-1}\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)+\frac{t_{1,u+k}-U_{\mathrm{\&alpha;}}}{t_{1,u+k}-y_{1,u+1}}{B}_{u+1,t_1}^{k-1}\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，B是B样条的基函数；u为电压节点序列的编号。在电流方向上的B样条基函数同样可以用递推形式算出：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{v,t_2}^1\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& t_{2,v}<I_{\mathrm{\&beta;}}\&le;t_{2,v+1}\\ 0,& \mathrm{other}\end{array}\right.\\ B_{v,t_2}^k\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)=\frac{I_{\mathrm{\&beta;}}-t_{2,v}}{t_{2,v+k-1}-t_{2,v}}{B}_{v,t_2}^{k-1}\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)+\frac{t_{2,v+k}-I_{\mathrm{\&beta;}}}{t_{2,v+k}-t_{2,v+1}}{B}_{v+1,t_2}^{k-1}\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，v是电流节点序列的编号。

因此，B样条可以表示为：

$S(U_{\mathrm{\&alpha;}},I_{\mathrm{\&beta;}})=\underset{u=-k+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=-k+1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[h_{u,v}{B}_{u,t_1}^k\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)B_{v,t_2}^k\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)\right]---\left(5\right)$

其中，h_u,v为B样条的控制系数；S是两输入单输出的B样条函数，用于表示结温；

为求解该B样条的控制系数，将样本数据带入公式(5)，可以得到一个多元方程组。一般地，样本数据的个数应大于B样条控制系数的个数，即nm≥(L+k-1)×(M+k-1)，从而使得该方程组为超定方程组，可由最小二乘法求解。

最小二乘法是最小均方准则下的最优方法，其原理是寻找一个最优控制系数使得公式(6)中的偏差最小：

$\mathrm{\&delta;}=\underset{\mathrm{\&alpha;}=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{\mathrm{\&beta;}=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[T_{\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&beta;}}-S(U_{\mathrm{\&alpha;}},I_{\mathrm{\&beta;}})]}^2=\min ---\left(6\right)$

其中，δ为样本数据与B样条函数的最小二乘偏差，当式(5)为超定方程组时，矩阵D是列满秩的，存在唯一的最小二乘解H_op：

H_op＝pinv(B)×G (7)

其中，H_op为控制向量，维数为(L+k-1)×(M+k-1)，其元素即为控制系数h_u,v；B为B样条基函数矩阵，维数为(n×m)×[(L+k-1)×(M+k-1)]，其元素来自于B样条基函数，由式(3，4)计算；pinv(*)是矩阵的伪逆运算符；G为结温向量，是一个n×m维列向量，其元素为样本数据的输出

本发明实施例包括如下步骤：

1)输入样本数据并根据样本数据中，电压和电流的输入范围确定电压和电流输入的节点向量；

2)利用样本数据中的输入变量和步骤1)中确定的节点序列，计算各个样本数据对应的B样条基函数的值；

3)将步骤2)中得到的B样条基函数的值组成基函数矩阵B，其维数为(n×m)×[(L+k-1)×(M+k-1)]；

4)从样本数据中提取输出变量结温将其组成结温向量G，其维数为(n×m)×1；

5)利用最小二乘计算控制向量矩阵H_op＝pinv(B)×G，其矩阵元素即为控制系数h_u,v；

6)获得LED器件电压-电流-结温的B样条模型：

$S(U_{\mathrm{\&alpha;}},I_{\mathrm{\&beta;}})=\underset{u=-k+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=-k+1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[h_{u,v}{B}_{u,t_1}^k\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)B_{v,t_2}^k\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)\right].$

利用本发明所述脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法实现LED器件在工作过程中实时结温检测的流程，包括以下步骤：

1)在LED器件非工作阶段，用脉冲法获得该器件在不同电压、电流下的结温数据，即样本数据集；利用所述脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法和样本数据集建立该LED器件的电压-电流-结温模型，并储存；

2)在LED器件工作阶段，其工作电压和电流可以用相关检测设备实时检测，此时将实时的工作电压和电流作为输入代入步骤1)建立的模型中，其输出即为当前的LED器件的结温。

在LED器件工作时，只要测得当前的工作电压和电流，即可利用所建立的模型，计算出该器件当前的结温，方便对该器件进行实时结温检测。另外，利用该模型，可以获得该LED器件在一定范围内，任意电压和电流条件下的结温，以此来整体分析该器件的结温特性，以便对其散热结构进行改进。

Claims (3)

1.一种脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法，其特征在于包括如下步骤：

1)输入样本数据并根据样本数据中，电压和电流的输入范围确定电压和电流输入的节点向量；

2)利用样本数据中的输入变量和步骤1)中确定的节点序列，计算各个样本数据对应的B样条基函数的值；

3)将步骤2)中得到的B样条基函数的值组成基函数矩阵B，其维数为(n×m)×[(L+k-1)×(M+k-1)]；

4)从样本数据中提取输出变量结温将其组成结温向量G，其维数为(n×m)×1；

5)利用最小二乘计算控制向量矩阵H_op＝pinv(B)×G，其矩阵元素即为控制系数h_u,v；

6)获得LED器件电压-电流-结温的B样条模型：

$S(U_{\mathrm{\&alpha;}},I_{\mathrm{\&beta;}})=\underset{u=-k+1}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{v=-k+1}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left[h_{u,v}{B}_{u,t_1}^k\left(U_{\mathrm{\&alpha;}}\right)B_{v,t_2}^k\left(I_{\mathrm{\&beta;}}\right)\right].$

2.如权利要求1所述方法在LED器件工作过程中实时结温检测中的应用。

3.如权利要求2所述应用，其特征在于包括以下步骤：

1)在LED器件非工作阶段，用脉冲法获得该器件在不同电压、电流下的结温数据，即样本数据集；利用所述脉冲式LED电压-电流-结温特性建模方法和样本数据集建立该LED器件的电压-电流-结温模型，并储存；

2)在LED器件工作阶段，其工作电压和电流可以用相关检测设备实时检测，此时将实时的工作电压和电流作为输入代入步骤1)建立的模型中，其输出即为当前的LED器件的结温。