CN102565654A - 一种led降额曲线的测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种LED降额曲线的测量系统和测量方法，属于半导体光电器件的热学性能检测技术领域。本发明的待测LED、热电偶和夹具置于恒温烤箱内，待测LED和热电偶置于夹具上的同一位置。连接数字源表和待测LED，连接数字万用表和热电偶。分别将数字源表、数字万用表、夹具和恒温烤箱与计算机相连接。数字源表提供驱动待测LED的正向电流；恒温烤箱提供稳定的环境温度；热电偶用于探测待测LED附近的实际环境温度；数字万用表用于巡检热电偶的阻值大小；计算机负责收集、处理相关数据，并向用户输出图形化的降额曲线。同现有技术相比，本发明具有高效、准确、适用范围广泛的优点。

Description

一种LED降额曲线的测量系统和测量方法

技术领域

本发明属于半导体光电器件的热学性能检测技术领域，特别是LED结温与电流降额曲线的测量系统和测量方法。

背景技术

LED是英文Light Emitting Diode的缩写，译为发光二极管。截止到目前为，全球商业化白光LED产品的发光效率已达到150lm/W左右，约为荧光灯光效的2倍；而实验室条件下的白光LED光效更高达200lm/W左右。寿命可达5～10万小时以上。LED的节能、环保、长寿命等卓越品质和巨大市场价值已在全世界范围内获得广泛认可。

尽管LED的电光转换效率很高，但是仍有小部分电能转换为热能，加上未抽取出的光子在器件内部不断损耗所产生的热能，都将增高LED器件的结温。过高的结温会对器件的光谱、光功率、寿命和可靠性等参数产生破坏性影响。因此，实施有效的热量管理便成了LED器件或灯具系统设计中的重要课题，特别是伴随着LED工作电流和功率的不断提升。电流降额曲线正是热量管理中的一种有效解决方法。

电流降额曲线是指，当环境温度升高时，为保证LED的结温不超过最大工作结温而采取降低正向电流的办法来实现对结温的控制。将正向电流随着环境温度增加从最大工作电流开始逐渐降低的过程用图形化曲线来表达，便形成了电流降额曲线。电流降额曲线是LED器件设计、灯具设计的评价指标之一，同时也是工程应用的重要依据，比如，使用智能芯片为LED在不同环境温度下提供准确、安全的驱动电流。此外，电流降额曲线已成为LED器件或灯具产品说明书中不可缺少的性能参数图谱。所以，选取准确、高效的测量系统和算法来获得电流降额曲线具有重要意义。目前，国内外尚无一例专利涉及LED电流降额曲线的测量系统和测量方法。

此外，需要说明的是，电流降额曲线的测量是以LED结温的测量为前提的。进一步而言，电流降额曲线是通过对结温与正向电流变化曲线的推导、计算而来。

关于LED结温的测量已有许多文献和中国专利报道，常见的方法有：①正向电压的K系数法；②正向电压的脉冲定标法(文献：Y.Xi，E.F.Schubert，Applied Physics Letters，Vol.85，No.12，Page：2163～2165；中国专利：CN 10170101854A)；③管脚法；④电致发光峰值偏移法；⑤蓝白比法；⑥红外摄像法等等。其中，方法①、③～⑤的测试精度较低；方法⑥仅对LED芯片外露的器件形式有效，对于一般的封装器件或灯具则无法实施测量；方法②的测试精度较高，适用范围较广，但是对于多个电流强度下的结温计算，该方法显得较为繁琐。

发明内容

针对上述现有技术中LED结温测量存在的不足，以及LED降额曲线测量的空白，本发明旨在提供一种LED降额曲线的测量系统和测量方法，使其具有高效、准确、适用范围广泛的优点。

为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：

一种LED降额曲线的测量系统，其结构特点是，它包括数字源表、恒温烤箱、热电偶、夹具、数字万用表、计算机以及待测LED。所述待测LED、热电偶和夹具置于恒温烤箱内，待测LED和热电偶置于夹具上的同一位置。使用四线法连接数字源表和待测LED，使用四线法连接数字万用表和热电偶，四线法为数字源表的一种连线方式，便于精确测量被测器件两端的电压。分别将数字源表、数字万用表、夹具和恒温烤箱与计算机相连接。数字源表提供驱动待测LED的正向电流并同时测量正向电压；恒温烤箱为待测LED提供稳定的环境温度；热电偶用于探测待测LED工作时其附近位置处的实际环境温度；数字万用表用于巡检热电偶的阻值大小并得到即时的环境温度；装有测量软件的计算机是整个系统的控制中心，负责收集、处理相关数据，并向用户输出图形化的降额曲线。

在上述测量系统中，所述待测LED为LED芯片或者是经过封装的LED器件、灯具。

在上述测量系统中，所述数字源表具备脉冲直流电源和稳恒直流电源的功能，其所产生的单脉冲宽度应≤10^-2s，占空比应≤0.1％，电流源误差应≤10^-3A，电压测量误差应≤10^-1V；所述数字万用表的电阻测量误差应≤1Ω；热电偶的测量误差应≤1℃

在上述测量系统中，所述恒温烤箱内部安装温度探测器对烘烤温度进行循环监测，并将监测温度输出到计算机。

在上述测量系统中，所述夹具是由耐热温度范围为20～150℃的PCB板形成，夹具上设置多个器件插槽并装有具备选址导通功能的辅助电路，并由计算机负责控制被测器件的选址导通。

一种LED降额曲线的测量方法，它使用包括数字源表、恒温烤箱、热电偶、夹具、数字万用表、计算机以及待测LED，其步骤为：

①把待测LED和热电偶安放在夹具上的同一位置，并一起放入恒温烤箱内；使用四线法连接数字源表和待测LED，使用四线法连接数字万用表和热电偶；并分别将数字源表、数字万用表、夹具和恒温烤箱与计算机相连接；

②开启数字源表，采用低占空比、短脉冲的直流电源If驱动待测LED，脉冲宽度≤10^-2s，占空比≤0.1％；在If一定的情况下，升高恒温烤箱温度到预设的数值点，待热电偶所测实际环境温度稳定后，通过计算机采集数字万用表测得的数值；同时，采集数字源表测得待测LED的正向电压，得到一个正向电压和环境温度的数据点；此后，继续升高恒温烤箱到下一个目标温度，用同样的方式采集对应的正向电压和环境温度；最后，对采集到的若干数据点进行最小二乘法的线性拟合，得到直线方程V_f＝K₁T_a+b；其中，V_f表示待测LED的正向电压，K₁为直线系方程的斜率，为一常数，T_a为环境温度；

③将恒温烤箱加热到某一温度值，待热电偶检测到的实际环境温度也稳定后，仍然用低占空比、短脉冲的直流电源驱动待测LED，但将电流强度If改变为一组预设数值，采集下一组对应的正向电压数值；然后，将这些正向电压值代入直线方程V_f＝K₁T_a+b，得到一组直线方程的截距值b(If)，进而得到直线系方程V_f＝K₁T_a+b(I_f)；由于低占空比、短脉冲的直流电源对待测LED产生的自热效应几乎可以忽略，故上述直线系方程亦可表示为V_f＝K₁T_j+b(I_f)；其中，T_j表示待测LED的结温；

④将恒温烤箱温度设定为某固定值，待热电偶检测到的环境温度Ta也稳定后，使用电流强度If的稳恒直流电源驱动待测LED；待待测LED达到稳定的热平衡状态后，采集待测LED的正向电压Vf数值，并将该数值代入直线系方程V_f＝K₁T_j+b(I_f)确定此种情况下待测LED的结温T_j；此后，改变I_f大小，获得待测LED结温T_j随I_f变化的数据点，对数据点进行最小二乘法的线性拟合，得到直线方程T_j＝K₂I_f+T_a；其中，K₂为直线系方程的斜率，为一常数；

⑤改变环境温度T_a为一组固定值，直线方程T_j＝K₂I_f+T_a变为直线系方程T_j＝K₂I_f+T_a；

⑥根据待测LED正常工作状态下允许的最大正向电流I_f-max和最高结温T_j-max，通过直线系方程T_j＝K₂I_f+T_a求解出现电流降额曲线拐点的环境温度T_a-turn，即T_a-turn＝T_j-max-K₂I_f-max；

⑦最后，根据降额曲线在电流降低阶段的起点和终点位置坐标(I_f-max，T_a-turn)和(0，T_j-max)计算得到电流降低的直线方程为I_f＝(-1/K₂)(T_a-T_j-max)；通过计算机技术便可输出图形化的LED降额曲线。

特别地，本发明提供了相应的测试方法，并结合测试方法给出了算法流程，以此作为测试系统软件的编程依据。

本发明所采用的测量系统与实施方案简化了测量过程，同时兼顾了测量模块的精度。而且，本发明采用计算机整合各组成部分，自动控制测量过程的实施，利用相关算法对采集数据进行处理，最后将测量结果以图形化软件界面的方式输出。因此，本发明具有简便、高效、准确、适用性广的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明测量系统的结构示意图；

图2为本发明测量方法的流程图；

图3为本发明测量方法的直线系方程V_f＝K₁T_j+b(I_f)的关系图；

图4为本发明测量方法的直线系方程T_j＝K₂I_f+T_a的关系图；

图5为本发明测量方法的直线方程I_f＝(-1/K₂)(T_a-T_j-max)的关系图。

具体实施方式

参看图1，本发明测量系统包括数字源表1、恒温烤箱2、热电偶5、夹具4、数字万用表6、计算机7以及采用LED芯片或者是经过封装的LED器件、灯具的待测LED3。待测LED3、热电偶5和夹具4置于恒温烤箱2内，待测LED3和热电偶5置于夹具4上的同一位置。使用四线法连接数字源表1和待测LED3，使用四线法连接数字万用表6和热电偶5，分别将数字源表1、数字万用表6、夹具4和恒温烤箱2与计算机7相连接。数字源表1提供驱动待测LED3的正向电流并同时测量正向电压，数字源表1具备脉冲直流电源和稳恒直流电源的功能，其所产生的单脉冲宽度应≤10^-2s，占空比应≤0.1％，电流源误差应≤10^-3A，电压测量误差应≤10^-1V。恒温烤箱2为待测LED3提供稳定的环境温度，它内部安装温度探测器对烘烤温度进行循环监测，并将监测温度输出到计算机7。热电偶5用于探测待测LED3工作时其附近位置处的实际环境温度。数字万用表6用于巡检热电偶5的阻值大小并得到即时的环境温度，它的电阻测量误差应≤1Ω。热电偶5的测量误差应≤1℃。装有测量软件的计算机7是整个系统的控制中心，负责收集、处理相关数据，并向用户输出图形化的降额曲线。夹具4是由耐热温度范围为20～150℃的PCB板形成，夹具4上设置多个器件插槽，并装有具备选址导通功能的辅助电路。

本发明的一个优选实例说明如下：

数字源表1选用Keithley Sourcemeter 2601A，恒温烤箱2选用ESPEC PC200，铂合金热电偶5选择型号Pt100，数字万用表6选用Keithley Multimeter 2000，待测LED3为GaN基蓝光二极管。

参看图2，在上述选型下的测量系统将按照下述测量方法实施：

①把待测LED3和热电偶5安放在夹具4上的同一位置，并一起放入恒温烤箱2内；使用四线法连接数字源表1和待测LED3，使用四线法连接数字万用表6和热电偶5；并分别将数字源表1、数字万用表6、夹具4和恒温烤箱2与计算机7相连接，计算机7选址导通待测LED3。

②开启数字源表1，采用低占空比、短脉冲的直流电源驱动待测LED3，电流强度设定为50mA，脉冲宽度为10^-4s，占空比为0.05％。将恒温烤箱2温度从室温23℃升高到120℃，升温步长为20℃。待测LED3的实际环境温度通过计算机7采集数字万用表6获得，采集数据之前，应确保实际的环境温度保持稳定。这样便得到一组正向电压和环境温度的数据点，如图3中所示的离散点。最后，对采集到的若干数据点进行最小二乘法的线性拟合，得到直线方程V_f＝2.39*T_a+b，V_f的单位是mV。

③让恒温烤箱2加热到60℃，待热电偶5检测到的实际环境温度在60℃附近稳定后，仍然用脉冲宽度为10^-4s，占空比为0.05％的直流电源驱动待测LED3，并采集下将I_f改变为20，40，60，80，100mA后的一组正向电压。将这些正向电压值代入直线方程V_f＝2.39*T_a+b，得到一组直线方程的截距值b(I_f)，进而得到直线系方程V_f＝2.39*T_a+b(I_f)，在图3中展示出了这些方程所表示的直线。由于低占空比、短脉冲的直流电源对待测LED3产生的“自热效应”几乎可以忽略，因此，上述直线系方程亦可表示为V_f＝2.39*T_j+b(I_f)。

④将恒温烤箱2冷却至室温，待热电偶5检测到的环境温度稳定在室温后，分别使用电流强度为10，20，40，50，60，80，100mA的稳恒直流电源驱动待测LED3。待待测LED3工作达到稳定热平衡状态后，分别采集下它的一系列正向电压V_f数值，并将这些数值代入直线系方程V_f＝2.39*T_a+b(I_f)，确定此种情况下待测LED3的一组结温T_j。最后对数据点进行最小二乘法的线性拟合，得到直线方程T_j＝0.94*I_f+T_a。

⑤改变环境温度T_a为30，40，50，60，70℃，直线方程T_j＝0.94*I_f+T_a变为直线系方程T_j＝0.94*I_f+T_a，具体如图4所示。

⑥设定待测LED3正常工作状态下允许的最大正向电流I_f-max＝50mA和最高结温T_j-max＝90℃，通过直线系方程T_j＝0.94*I_f+T_a，求解出现电流降额曲线拐点的环境温度T_a-turn＝43.6℃，如图4所示。

⑦最后，根据降额曲线在电流降低阶段的起点和终点位置坐标(50mA，43.6℃)和(0mA，90℃)计算得到电流降低阶段的直线方程为I_f＝-1.06*(T_a-90)，降额曲线的形态如图5所示。

以上只是公开了本发明的示范性实施例。对于本领域的相关技术人员依据本发明实例的思想，在具体实施方式及应用范围上所做的改变之处，也均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种LED降额曲线的测量系统，其特征在于，它包括数字源表(1)、恒温烤箱(2)、热电偶(5)、夹具(4)、数字万用表(6)、计算机(7)以及待测LED(3)，所述待测LED(3)、热电偶(5)和夹具(4)置于恒温烤箱(2)内，待测LED(3)和热电偶(5)置于夹具(4)上的同一位置，使用四线法连接数字源表(1)和待测LED(3)，使用四线法连接数字万用表(6)和热电偶(5)，分别将数字源表(1)、数字万用表(6)、夹具(4)和恒温烤箱(2)与计算机(7)相连接，数字源表(1)提供驱动待测LED(3)的正向电流并同时测量正向电压；恒温烤箱(2)为待测LED(3)提供稳定的环境温度；热电偶(5)用于探测待测LED(3)工作时其附近位置处的实际环境温度；数字万用表(6)用于巡检热电偶(5)的阻值大小并得到即时的环境温度；装有测量软件的计算机(7)是整个系统的控制中心，负责收集、处理相关数据，并向用户输出图形化的降额曲线。

2.按照权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述待测LED(3)为LED芯片或者是经过封装的LED器件、灯具。

3.按照权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述数字源表(1)具备脉冲直流电源和稳恒直流电源的功能，其所产生的单脉冲宽度应≤10^-2s，占空比应≤0.1％，电流源误差应≤10^-3A，电压测量误差应≤10^-1V；所述数字万用表(6)的电阻测量误差应≤1Ω；热电偶(5)的测量误差应≤1℃。

4.按照权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述恒温烤箱(2)内部安装温度探测器对烘烤温度进行循环监测，并将监测温度输出到计算机(7)。

5.按照权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述夹具(4)是由耐热温度范围为20～150℃的PCB板形成，夹具(4)上设置多个器件插槽并装有具备选址导通功能的辅助电路，并由计算机(7)负责控制被测器件的选址导通。

6.一种LED降额曲线的测量方法，它使用包括数字源表(1)、恒温烤箱(2)、热电偶(5)、夹具(4)、数字万用表(6)、计算机(7)以及待测LED(3)，其步骤为：

①把待测LED(3)和热电偶(5)安放在夹具(4)上的同一位置，并一起放入恒温烤箱(2)内；使用四线法连接数字源表(1)和待测LED(3)，使用四线法连接数字万用表(6)和热电偶(5)；并分别将数字源表(1)、数字万用表(6)、夹具(4)和恒温烤箱(2)与计算机(7)相连接；计算机(7)选址导通待测LED(3)；

②开启数字源表(1)，采用低占空比、短脉冲的直流电源If驱动待测LED(3)，脉冲宽度≤10^-2s，占空比≤0.1％；在If一定的情况下，升高恒温烤箱(2)温度到预设的数值点，待热电偶(5)所测实际环境温度稳定后，通过计算机(7)采集数字万用表(6)测得的数值；同时，采集数字源表(1)测得待测LED(3)的正向电压，得到一个正向电压和环境温度的数据点；此后，继续升高恒温烤箱(2)到下一个目标温度，用同样的方式采集对应的正向电压和环境温度；最后，对采集到的若干数据点进行最小二乘法的线性拟合，得到直线方程V_f＝K₁T_a+b；其中，V_f表示待测LED(3)的正向电压，K₁为直线系方程的斜率，为一常数，T_a为环境温度；

③将恒温烤箱(2)加热到某一温度值，待热电偶(5)检测到的实际环境温度也稳定后，仍然用低占空比、短脉冲的直流电源驱动待测LED(3)，但将电流强度If改变为一组预设数值，并采集下一组对应的正向电压数值；然后，将这些正向电压值代入直线方程V_f＝K₁T_a+b，得到一组直线方程的截距值b(If)，进而得到直线系方程V_f＝K₁T_a+b(I_f)；由于低占空比、短脉冲的直流电源对待测LED(3)产生的自热效应几乎可以忽略，因此，上述直线系方程亦可表示为V_f＝K₁T_j+b(I_f)；其中，T_j表示待测LED(3)的结温；

④将恒温烤箱(2)温度设定为某固定值，待热电偶(5)检测到的环境温度T_a也稳定后，使用电流强度为I_f的稳恒直流电源驱动待测LED(3)；待待测LED(3)达到稳定热平衡状态后，采集待测LED(3)的正向电压V_f数值，并将该数值代入直线系方程V_f＝K₁T_j+b(I_f)确定此种情况下待测LED(3)的结温T_j；此后，改变I_f大小，获得待测LED(3)结温T_j随I_f变化的数据点，对数据点进行最小二乘法的线性拟合，得到直线方程T_j＝K₂I_f+T_a；其中，K₂为直线系方程的斜率，为一常数；

⑤改变环境温度T_a为一组固定值，直线方程T_j＝K₂I_f+T_a变为直线系方程T_j＝K₂I_f+T_a；

⑥根据待测LED(3)正常工作状态下允许的最大正向电流I_f-max和最高结温T_j-max，通过直线系方程T_j＝K₂I_f+T_a求解出现电流降额曲线拐点的环境温度T_a-turn，即T_a-turn＝T_j-max-K₂I_f-max；

⑦最后，根据降额曲线在电流降低阶段的起点和终点位置坐标(I_f-max，T_a-turn)和(0，T_j-max)计算得到电流降低的直线方程为I_f＝(-1/K₂)(T_a-T_j-max)；通过计算机技术便可输出图形化的LED降额曲线。

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