CN107024648A

CN107024648A - 基于脉冲法的led结温测量装置及方法

Info

Publication number: CN107024648A
Application number: CN201710248107.1A
Authority: CN
Inventors: 陈乾
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2017-08-08

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲法的LED结温测量装置及方法，包括LED特性测试仪、热特性温控仪、激励电源、照度检测探头和温控测试台。测量方法具体包括：获得电压与结温的关系曲线；LED正常工作时，测量LED两端电压，根据已经求出的电压与结温的关系曲线得到LED的结温。本发明利用脉冲法测量大功率LED结温，相比传统的小电流K系数法更简便，快捷，准确；能够分别测量LED的结温和器件的表面温度以及达到稳定状态时两者之间的热阻；可以测量结温和照度的关系。

Description

基于脉冲法的LED结温测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种LED结温测量装置及方法，尤其涉及一种基于脉冲法的LED结温测量装置及方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种半导体固体发光器件，以半导体芯片为发光材料，基本发光机理是当两端加上正向电压，半导体中的电子和空穴的辐射复合将一部分能量(10％～30％)转化为光能，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量(70％～90％)转化为热能。

上世纪90年代末，白光LED得到了迅猛发展，有望成为第4代照明用光源，与白炽灯、荧光灯等传统照明光源的发光机理不同，LED属于电致发光器件，其热量不能辐射散热，从而导致器件温度过高，严重影响LED的光通量、寿命以及可靠性，并会导致LED发光红移，尤其目前白光实现的方式是荧光粉加蓝光芯片，其中荧光粉对温度特别敏感，最终会引起波长的漂移，造成颜色不纯等一系列问题。

据有关资料统计，LED大约70％的故障来自温度过高。因此研究温度对LED的影响有着重要的现实意义。研究温度对LED的影响主要是研究LED的PN结温度T_J对LED的影响。

如图1所示，通常使用的都是经过封装的LED，温度传感器的热探头至多能够探测LED的表面温度T_B，而无法探测到LED的PN结温度。那么，如何能够比较准确、快速的测量LED的结温是研究其热学特性的关键。

目前市场上所生产的研究LED热学特性的实验教学类仪器都是简单的通过LED的表面温度T_B来代替结温，这对于大功率的LED显然是不合理的，它忽略了正常工作时LED芯片温度和表面温度存在的温度差。

目前测量LED结温的方法包括电学参数法、管脚法、蓝白比法、红外热成像法、光谱法等，其中电学参数法被认为是目前结温测量最准确的方法而被广泛采用。电学参数法又包括小电流K系数法和脉冲法，二者都是利用LED电压与结温的关系，通过测量电压来求结温。

目前，大量的测量仪器使用的电学参数法都是小电流K系数法，K系数的确定要考虑的因素有很多，小电流K系数法的局限性在于测试时必须首先将该LED从原来的线路中断开，然后用专门的结温测试电源。一方面测量步骤比较繁琐；另一方面LED的结温一般会在从原线路断开和介入测量电路过程中有所变化，从而导致测量的误差增加。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于脉冲法的LED结温测量装置及方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于脉冲法的LED结温测量装置，包括LED特性测试仪、热特性温控仪、激励电源、照度检测探头和温控测试台。LED特性测试仪用于驱动LED并测量正向或反向电学特性；热特性温控仪用于设置加热腔温度；激励电源用于为LED特性测试仪提供可调电源；照度检测探头用于检测当前位置LED出射光的照度值；温控测试台包含加热腔、温度传感器、待测LED和透明防风罩。

一种基于脉冲法的LED结温测量方法，具体包括以下步骤：

(1)在脉冲电流驱动下获得LED的电压与结温的关系曲线；

给LED注入恒定的窄脉冲电流，脉冲电流幅值与额定工作电流相等，同时选择合适占空比；确定脉冲源后，同步测量不同环境温度下，LED在电流脉冲内时两端的电压；在热平衡条件下结温等于环境温度，从而获得额定电流下电压与结温的关系曲线。

(2)LED在直流驱动下正常工作时，测量LED两端电压，根据已经求出的电压与结温的关系曲线得到LED的结温。

有益效果：本发明利用脉冲法测量大功率LED结温，相比传统的小电流K系数法更简便，快捷，准确；能够分别测量LED的结温和器件的表面温度和达到稳定状态时两者之间的热阻；可以测量结温和照度的关系。

本发明通过脉冲电流法对常见的大功率白光LED灯珠的结温和器件表面温度进行了测量，深入研究了LED灯在升温和降温过程中结温的变化规律，并给出了结温和表面温度的关系，对工程技术领域中的LED结温研究具有实际意义。

附图说明

图1是现有技术中封装的LED示意图；

图2是基于脉冲法的LED结温测量装置示意图；

图3是LED在不同脉宽的脉冲电流下结温随时间的变化关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，常规封装的LED芯片被包裹，其结温T_J很难被测量，可用温度传感器测量的一般均为表面温度T_B。当LED处于正常的工作状态时，芯片和表面之间会存在温度差和热流。

如图2所示基于脉冲法的LED结温测量装置包括LED特性测试仪A、热特性温控仪B、激励电源C、照度检测探头和温控测试台D。

LED特性测试仪显示部分包含电压表1、电流表2、照度表3。电压表显示范围为-9.99～9.999V，最小分辨力1mV；电流表显示范围为正向0～999.9mA，最小分辨力0.01mA，反向-19.99～0μA，分辨力0.01μA；照度表显示范围为0～19990LX，最小分辨力1LX。开机前，电源输入口4和激励电源输出14相连，LED信号口5与测试台LED接口21相连，光探头9与测试台探头18相连。

处于未测试状态时，三只表均只在最低位上显示一个0，以区别于测试状态时的实际测量值。测试仪具有电压电流方向切换功能(按钮8)，该功能用于测量LED的正向或反向电学特性。测试仪在做正向实验时具有直流/脉冲驱动切换功能(按钮7)，在脉冲模式下，脉宽为固定值10μs，还可选择三种不同的占空比，分别为1∶50、1∶100、1∶1000，直流模式下占空比为1∶1。长按直流/脉冲切换按钮2秒，可进行直流或脉冲之间的相互切换，短按直流/脉冲切换按钮可在三种不同脉冲占空比下进行切换。测试仪开机默认为直流驱动模式，且处于正向未测试状态。

热特性温控仪控温范围室温～120.0℃，控温最小间隔10℃，可通过党委控制旋钮13调节，控温精度优于0.5℃，温度显示分辨力0.1℃。加热电流通过接口12与温控测试台加热电源口24相连。控温方式为通过加装在LED底座上的半导体陶瓷片23单向加热，自然散热，无制冷功能。温度显示屏10上短暂显示目标温度和长时间显示测量温度。当温控仪上的工作/停止按钮切换为工作时，温度显示屏旁边的工作指示灯亮，加热腔将根据目标温度进行控温，当切换为停止时，温度显示屏旁边的工作指示灯灭，加热腔停止控温，但温控仪会显示测量温度。每次更换目标温度时，先按下温控仪上的工作/停止按钮，使其处于停止状态，然后重新设置目标温度，设置好目标温度后再按一次工作/停止按钮，使其处于工作状态。

激励电源为LED提供驱动电源，有稳压与稳流两种输出模式，输出电压和电流值分别显示窗口15和16。其中，稳压模式分为0～4V和0～36V档，稳流模式分为0～40mA和0～350mA档。可通过激励电源面板上的按键进行相应档位切换并可通过旋转编码开关17实现电压电流输出的大小调节，顺时针旋转增加电压电流输出，逆时针旋转减小电压电流的输出，且编码开关旋转越快，电压电流值改变幅度越大。由于编码开关调节时存在一定的最小调节间隔，且不同档位最小间隔不同，所以电流或电压不能进行连续调节。当测试仪未处于测试状态时，若顺时针旋转编码开关，此时激励电源会出现报警(指示灯6)，按复位键可停止报警。

温控测试台包含加热腔、温度传感器、待测LED 19、透明防风罩20和照度检测探头18。温度传感器采用PT1000，照度检测探头用于检测当前位置LED出射光的照度值，并与测试仪的照度表一起构成照度计。照度检测探头所采用的照度传感器的光谱响应接近人眼视觉的光谱灵敏度特性，峰值灵敏度波长为560nm。照度表示被照射主体表面单位面积上所得到的光通量，符号用E表示，单位为勒克司，LX或Lux。当发光强度不变时，照度与光发射距离的平方成反比。

利用该LED结温和照度测量装置并基于脉冲法测量LED结温具体包括以下两个步骤：

(1)获得电压与结温的关系曲线。

通过给LED注入恒定的窄脉冲电流，使得通电时间内产生的热量对结温温升的影响有限，脉冲电流幅值与额定工作电流相等，同时通过减小占空比使得脉冲电流断开后热量有足够的时间散出去。确定脉冲源后，测量LED在不同温度下的正向电压，由于在热平衡条件下结温等于环境温度，于是可获得额定电流下正向电压与结温的关系曲线。

(2)在LED正常工作时，通过测量LED两端电压，根据已经求出的电压与结温的函数关系得到LED的结温。

与小电流K系数法相比，脉冲法最大的好处就是无需改变原来系统的连接关系，可直接测量。而且由于可以选取LED的工作电流为测试电流，因此，一旦结温与电压的关系确定，只需要想办法读取待测LED两端的电压数据，而不需要专门的测试电源对LED供电，也就不用改变原来系统的连接关系，因而使得测试过程大大简化。

如图3所示是LED在不同脉宽的脉冲电流下结温随时间的变化关系，可以看出，当脉冲电流脉宽较大、占空比较大时，结温的增量ΔT将随着时间累积增加；而脉宽越小时，一个脉宽作用下引起的温升ΔT也越小，若在第二个同样的窄脉冲到来之前，LED有足够长的散热时间，即占空比足够小，那么前一个脉冲引起的温升将得到抵消，当第二个、第三个...脉冲来临时，将重复第一个脉冲周期内的结温变化情况。

脉冲法测量LED结温的关键在于脉冲源必须保证工作电流下LED没有严重的自热行为，这就包括脉冲的宽度和占空比的选择。

脉冲宽度越小，占空比越小，通电电流引起的温升就越小，结温测量越准确。设芯片面积为1.2×1.2mm²，厚度为0.2mm，InGaN衬底。由于外延层很薄，忽略外延层材料与衬底之间的差异，不考虑电极的影响，那么芯片的体积为2.88×10^-4cm³，InGaN的密度约为6.15g/cm³，故芯片质量m约为1.77×10^-3g。比热容c约为0.5J/(g·K)；工作电流I为0.35A，室温时工作电压U约3.24V，其中，约85％的电功率转变为热，那么在不考虑芯片向周围环境散热的情况下，LED接通电流后，短时间内，LED芯片的温升ΔT与时间t的关系可由下式表示：

其中，η为电功率转换为热的转换率。由上式可知，若在一个脉冲宽度为10μs的窄脉冲作用下，LED芯片的温升ΔT约为0.01℃，和室温相比可忽略不计。

确定脉宽后，再来考虑占空比，或者说散热时间的确定。若散热时间不够，降温小于升温，则温升会随着时间进行积累，若对每一个脉宽内某固定点进行电压采样，根据电压和结温的对应关系，若结温随时间累积变化则采样的电压也会随时间变化，若电压不随时间变化，说明降温抵消掉了之前的升温，即此时选择的占空比能使LED有足够的散热时间。

Claims

1.一种基于脉冲法的LED结温测量装置，其特征在于：包括LED特性测试仪、热特性温控仪、激励电源、照度检测探头和温控测试台；

其中，LED特性测试仪用于驱动LED并测量正向或反向电学特性；热特性温控仪用于设置加热腔温度；激励电源用于为LED特性测试仪提供可调电源；照度检测探头用于检测当前位置LED出射光的照度值。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲法的LED结温测量装置，其特征在于：所述LED特性测试仪显示部分包含电压表、电流表和照度表，提供的LED驱动电流有脉冲和直流两种模式。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲法的LED结温测量装置，其特征在于：所述激励电源有稳压与稳流两种输出模式，且幅值调节采用旋转编码器实现。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲法的LED结温测量装置，其特征在于：所述温控测试台包含加热腔、温度传感器、待测LED和透明防风罩。

5.一种基于脉冲法的LED结温测量方法，利用权利要求1-4所述的基于脉冲法的LED结温测量装置进行测量，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)在脉冲电流驱动下获得LED的电压与结温的关系曲线；

6.根据权利要求5所述的基于脉冲法的LED结温测量方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：

(1.1)给LED注入恒定的窄脉冲电流，脉冲电流幅值与额定工作电流相等，同时选择合适占空比；

(1.2)确定脉冲源后，同步测量不同环境温度下，LED在电流脉冲内时两端的电压；

(1.3)在热平衡条件下结温等于环境温度，从而获得额定电流下电压与结温的关系曲线。