LED模塊光色電參數(shù)新檢測(cè)方法-燈具內(nèi)LED的PN結(jié)的結(jié)溫檢測(cè)方法PPT課件

DeficiencyandimprovementmeansoftestingmethodsofLEDlightingproductsYuAnqi,ChinaNationalLightSourceQualitySupervisionTestingCentre(Shanghai),ChinaNationalLightingFittingQualitySupervisionTestingCentre,ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingLtd.,摘要:傳統(tǒng)的LED及其模塊光、色、電參數(shù)檢測(cè)方法有脈沖電流驅(qū)動(dòng)，CCD快速光譜測(cè)量法，也有在一定的條件下，熱平衡后的測(cè)量法，但這些方法的測(cè)量條件和結(jié)果與LED進(jìn)入照明器具內(nèi)的實(shí)際工作情況都相差甚遠(yuǎn)。文章介紹了通過(guò)VfTJ曲線的標(biāo)出并控制LED在設(shè)定的結(jié)溫下測(cè)量其光、色、電參數(shù)，不僅對(duì)采用LED的照明器具的如何保證LED工作結(jié)溫提供了目標(biāo)限值，同時(shí)也使LED及其模塊的光、色、電測(cè)量的參數(shù)更接近于實(shí)際的應(yīng)用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如何測(cè)量LED的結(jié)溫并確定LED參考點(diǎn)的限值溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。這對(duì)快速評(píng)估采用LED的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個(gè)有效的途徑。關(guān)鍵詞：標(biāo)定、VfTJ曲線、LED結(jié)溫、修正、參考點(diǎn)溫度,一、序言,對(duì)于一個(gè)新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法。雖然產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法不可能先于產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法應(yīng)盡可能地緊跟產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，因?yàn)楫a(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的制定過(guò)程本身就是對(duì)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的回顧研討和小結(jié)，只要條件基本成熟，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的制訂越及時(shí)，就越能減少產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的盲目性。LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，我們對(duì)LED照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的回顧、小結(jié)的時(shí)候已經(jīng)基本到來(lái),1、傳統(tǒng)的LED模塊的檢測(cè)方法,目前傳統(tǒng)的LED模塊的檢測(cè)方法主要有兩種*第一種是采用脈沖測(cè)量的方法，它是把照明LED模塊固定在測(cè)量裝置上（例如積分球的測(cè)量位置等），采用脈沖恒流電源與瞬時(shí)測(cè)量光譜儀的同步聯(lián)動(dòng)，即對(duì)LED發(fā)出數(shù)十毫秒數(shù)佰毫秒恒流的脈沖電流的同時(shí)，同步打開(kāi)瞬時(shí)測(cè)量光譜的快門(mén)，對(duì)LED（光、色、電參數(shù)）進(jìn)行快速檢測(cè)。特點(diǎn)：LED的結(jié)溫幾乎等同于室溫，所以光效高，光、電參數(shù)與實(shí)際使用有明顯差異，不具有可參比性。*第二種檢測(cè)方法是把LED模塊安裝在檢測(cè)裝置上后，可能帶上一固定的散熱器，給LED施加其聲稱的工作電流（可能具有基座控溫功能），受傳統(tǒng)的照明光源檢測(cè)方法的影響，也是等到LED達(dá)到熱平衡時(shí)開(kāi)始測(cè)量它的光電參數(shù)。特點(diǎn)：這種方法看似比較嚴(yán)密，但實(shí)際上，它的熱平衡條件和工作條件與此類LED裝入最終的照明器具中的狀態(tài)仍沒(méi)有好的關(guān)聯(lián)性，所以所測(cè)光電參數(shù)與今后實(shí)際的應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可參比性。,已頒布的GB/T248242009/CIE127-2007NEQ普通照明用LED模塊的基本性能的測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“試驗(yàn)或測(cè)量時(shí)LED模塊應(yīng)工作在熱平衡狀態(tài)下，在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時(shí)，最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗(yàn)的可復(fù)現(xiàn)性。如可能監(jiān)測(cè)LED模塊結(jié)電壓，則應(yīng)首選監(jiān)測(cè)結(jié)電壓。監(jiān)測(cè)結(jié)電壓的本質(zhì)是監(jiān)測(cè)LED模塊的結(jié)溫，可見(jiàn)在監(jiān)測(cè)結(jié)電壓的條件下來(lái)測(cè)量LED模塊的光電參數(shù)是保證檢測(cè)重現(xiàn)性的首選方案，但是，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有指明在模擬實(shí)際使用結(jié)溫條件下檢測(cè)LED模塊的光、色、電參數(shù)。,已經(jīng)頒布的標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量方法,*LED所測(cè)的光、電參數(shù)與它的工作時(shí)的結(jié)溫密切相關(guān)，同一個(gè)LED產(chǎn)品，結(jié)溫的不同會(huì)造成這些參數(shù)的明顯不同，所以測(cè)量，LED的光電參數(shù)首先應(yīng)考慮在設(shè)定的工作結(jié)溫的條件下來(lái)進(jìn)行。與傳統(tǒng)光源不同的是，僅僅保持LED模塊測(cè)量環(huán)境的一樣是無(wú)法保證測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性的。*因?yàn)榉庋b工藝、材料等差異，最高工作結(jié)溫是明顯不同的，為了保證具有高效、長(zhǎng)壽的特點(diǎn)，實(shí)際的工作結(jié)溫應(yīng)明顯低于最高工作結(jié)溫。例如，目前我們大量采用的封裝技術(shù)，在LED的發(fā)光面前，都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實(shí)踐證明，要使此類LED照明器具，L70時(shí)間要6萬(wàn)小時(shí)，其工作結(jié)溫必須在70以下。從提高光效和使用壽命的角度講，工作結(jié)溫在60以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價(jià)比來(lái)講，則應(yīng)在能達(dá)到預(yù)期的光效和使用壽命的基礎(chǔ)上把最高工作結(jié)溫控制在6570最為合適。為了使LED及其模塊的光、色、電參數(shù)的檢測(cè)也盡可能接近于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)溫狀態(tài)，就必須定結(jié)溫測(cè)量光、色、電,2、LED模塊測(cè)量方法的改進(jìn),1)通過(guò)測(cè)量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數(shù)求得結(jié)溫。但是因?yàn)楹纳⒐β屎蜔嶙柘禂?shù)的不準(zhǔn)確，所以測(cè)量精度比較低。2)外部熱成像法，要求LED處于未封裝的狀態(tài)，另外對(duì)封裝材料折射率有特殊要求，否則無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量精度比較低。3)利用發(fā)光光譜峰位移測(cè)定結(jié)溫，是一種非接觸的測(cè)量方法，直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動(dòng)技術(shù)來(lái)測(cè)量結(jié)溫，這一方法對(duì)光譜測(cè)試儀器分辨精度要求較高，發(fā)光峰位的精度測(cè)定難度較大，而光譜峰位移1納米的誤差變化就對(duì)應(yīng)著測(cè)量結(jié)溫約30度的變化，所以測(cè)量精度和重復(fù)性都比較低。4)向列型液晶熱成像技術(shù)，對(duì)儀器分辨率要求高，只能測(cè)量未封裝的單個(gè)裸芯片，不能測(cè)量封裝后的LED。5)利用二極管PN結(jié)電壓與結(jié)溫的VfTJ關(guān)系曲線，來(lái)測(cè)量LED的結(jié)溫。,（1）目前LED的結(jié)溫測(cè)量方法大概有,LED最具有可行性的結(jié)溫測(cè)量方法,從上述介紹的各種LED結(jié)溫的測(cè)量方法可看出，采用監(jiān)視二極管PN結(jié)電壓來(lái)推算結(jié)溫的方法最具有可行性并且測(cè)量精度也最高，所以在很多集成IC電路中，為了檢測(cè)IC芯片的工作結(jié)溫，往往會(huì)刻出或值入1個(gè)或幾個(gè)二極管，通過(guò)測(cè)量其正向電壓降的變化來(lái)達(dá)到測(cè)量芯片結(jié)溫的目的。,（2）目前國(guó)際上較先進(jìn)的VfTJ測(cè)量方法,1）把被測(cè)的LED放入在硅油缸內(nèi)，加熱硅油缸達(dá)到1302）自然冷卻，每下降210時(shí)瞬時(shí)給LED輸入規(guī)定的電流脈沖,并測(cè)量這一溫度和正向電壓降3）把這一測(cè)量點(diǎn)的溫度和正向電壓降導(dǎo)入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫(kù),由軟件產(chǎn)生一個(gè)VfTJ曲線。這一方法屬于在溫度下降時(shí)測(cè)量方法，缺點(diǎn)是：當(dāng)硅油缸的油溫較高時(shí)，與環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性采用了適當(dāng)?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時(shí)溫度下降不致于太快，但當(dāng)硅油缸溫度較低時(shí)，與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢，這大大延長(zhǎng)了這一檢測(cè)過(guò)程的測(cè)量時(shí)間。加熱在外部，控溫和測(cè)量存在明顯的滯后，影響準(zhǔn)確性。,（3）新的VfTJ檢測(cè)方法,采用電腦設(shè)定的PID（積分、微分加上加熱與不加熱時(shí)間比例控制）方法來(lái)加熱和控制硅油缸的溫度，從而保證了油缸內(nèi)的硅油溫差保持在0.2范圍內(nèi)?？梢砸?.5的間隔測(cè)量一次，可逐步調(diào)整到每上升10甚至20測(cè)量一次。從25到130檢測(cè)時(shí)間約為2.5個(gè)小時(shí)左右，能明顯低于目前國(guó)際上已有的檢測(cè)裝置的測(cè)量時(shí)間。采用雙硅油缸結(jié)構(gòu)，當(dāng)完成一組樣品的測(cè)量后，更換一個(gè)硅油缸可立刻開(kāi)始第二組LED的檢測(cè)。本測(cè)量裝置在每一個(gè)測(cè)量溫度點(diǎn)測(cè)得的溫度和LED正向電壓降后，導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)并由編制的軟件生成VfTJ曲線。,精密內(nèi)控內(nèi)熱式油杯示意圖,階梯式加溫的控溫曲線,（4）照明LED結(jié)溫測(cè)量及利用VfTJ關(guān)系曲線指導(dǎo)光、色、電參數(shù)的測(cè)量,僅控制LED測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度和基座是不能保證被測(cè)LED光、色、電參數(shù)檢測(cè)重復(fù)性的（接觸熱阻不同）得到LED的VfTJ的曲線后，最重要的是用于定結(jié)溫條件下的光、色、電參數(shù)測(cè)量，定熱沉溫度較可，定結(jié)溫條件下的光、色、電參數(shù)測(cè)量是最理想的。把被測(cè)LED固定到帶控溫/恒溫基座的積分球內(nèi)，給LED通以工作電流，給LED燃點(diǎn)1520分鐘后，快速切換到測(cè)量電流（即前面標(biāo)定VfTJ曲線的測(cè)量電流）用數(shù)毫秒時(shí)間快速測(cè)定被測(cè)LED的正向電壓Vf，通過(guò)與VfTJ曲線中結(jié)溫值對(duì)應(yīng)的Vf比較，如與目標(biāo)值有差異,控制程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)整恒溫基座的溫度使LED的Vf達(dá)到目標(biāo)結(jié)溫值對(duì)應(yīng)的結(jié)電壓。在快速測(cè)定Vf后，裝置將自動(dòng)回復(fù)使LED通以工作電流的狀態(tài)。,設(shè)定結(jié)溫值測(cè)量方法明顯的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)被測(cè)LED在通過(guò)工作電流的情況下，其結(jié)溫達(dá)到目標(biāo)值（即達(dá)到目標(biāo)結(jié)溫值對(duì)應(yīng)的Vf值）且熱平衡后，可啟動(dòng)光譜儀測(cè)量光、色參數(shù)同時(shí)讀取其電參數(shù)。上述測(cè)量方法最明顯的優(yōu)點(diǎn)是，在LED實(shí)際的應(yīng)用中，只要照明器具中LED工作在目標(biāo)結(jié)溫值附近，用這一方法參數(shù)有很好的模擬性，也使它的這些所測(cè)量的參數(shù)變得有意義，并且其光、色、電參數(shù)也具有很好的可重現(xiàn)性。,設(shè)定LED結(jié)溫值測(cè)量裝置,標(biāo)定的VfTJ曲線,VfTJ標(biāo)定曲線測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,設(shè)定結(jié)溫LED光.色.參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,三、燈具內(nèi)LED的PN結(jié)結(jié)溫的測(cè)量方法,1、LED進(jìn)入照明器具后結(jié)溫控制和測(cè)量的必要性按照美國(guó)DOE的LM80要求往往要化300天以上的時(shí)間（6000h），這在很多工程招標(biāo)和驗(yàn)收時(shí)無(wú)法實(shí)施。按照IECTC34D赫爾辛基會(huì)議的基本精神，LED的壽命試驗(yàn)方法是L70+F5，可能還有增加的考核內(nèi)容。,結(jié)溫是判斷LED照明器具性能優(yōu)劣的核心要素,結(jié)溫作為衡量一個(gè)LED照明器具性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED照明器具在工程應(yīng)用中可靠性測(cè)量的核心要素。如果能準(zhǔn)確測(cè)量出燈具內(nèi)LED的PN結(jié)結(jié)溫和PN結(jié)到散熱器某一指定點(diǎn)的熱阻這兩個(gè)定量的指標(biāo)，就不僅能衡量采用LED的燈具散熱特性的優(yōu)劣，還能定性地知道各種采用LED的同類燈具的大致使用壽命。另外還能得知LED燈具的光效和其他光參數(shù)的測(cè)量值是在什么結(jié)溫條件下測(cè)得的，并且能得出燈具中功率型LED熱沉上的某一點(diǎn)（參考溫度點(diǎn)）與結(jié)溫之間的函數(shù)關(guān)系，從而指導(dǎo)企業(yè)正確標(biāo)出熱沉參考點(diǎn)的溫度限值。,2、照明器具內(nèi)LED結(jié)溫測(cè)量方法介紹,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)LED的PN結(jié)的結(jié)溫，只能進(jìn)行單個(gè)LED或者單個(gè)LED摸塊的結(jié)溫和熱阻的測(cè)量，還沒(méi)有完整的對(duì)照明器具內(nèi)LED實(shí)際工作結(jié)溫和熱阻的測(cè)量方法，這里介紹一種完整的對(duì)照明器具內(nèi)LED實(shí)際工作結(jié)溫和熱阻的測(cè)量方法。1）VfTJ曲線標(biāo)定將照明器具內(nèi)LED矩陣中間的某一串聯(lián)LED組中處于或者接近中間部位的一顆LED作為被測(cè)LED，按圖1電路連接，在這一顆LED的熱沉（LED自身所帶的小散熱器）上粘上一個(gè)熱電偶。使燈具在252的環(huán)境下放置612小時(shí)。,測(cè)量電路連接圖,圖1LED的燈具中LED矩陣某一串LED組的測(cè)量電路連接圖,VfTJ曲線標(biāo)定,*把三個(gè)2刀2擲轉(zhuǎn)換繼電器調(diào)到測(cè)量位置,把LED燈具放入一個(gè)可編程控制的專用加熱箱內(nèi)，設(shè)定階梯式加溫方式對(duì)箱體內(nèi)LED燈具進(jìn)行加熱。圖3中每一階梯分為恒溫時(shí)間段和升溫時(shí)間段，這兩個(gè)時(shí)間段可分別設(shè)定，設(shè)定范圍為5分鐘30分鐘中的任一值。*根據(jù)LED的熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值，并且最終是以圖1電路測(cè)量被測(cè)LED的正向電壓降穩(wěn)定時(shí)，說(shuō)明燈具內(nèi)LED已達(dá)到某一設(shè)定點(diǎn)溫度的熱平衡。當(dāng)每一個(gè)恒溫時(shí)間段即將結(jié)束，開(kāi)始測(cè)量被測(cè)LED的正向電壓降Vf。*根據(jù)實(shí)際測(cè)量的時(shí)間t，從圖2中得出修正是Vf。把測(cè)得的Vf值再加上Vf，得出D1在該溫度下不受測(cè)量電流影響的Vf1，即Vf1Vf1Vf，把這一Vf1和用熱電隅測(cè)的溫度T1導(dǎo)入到設(shè)定的電腦數(shù)據(jù)庫(kù)中。*重復(fù)這一步驟，得出一組經(jīng)修正的數(shù)值。把這一組經(jīng)修正的數(shù)值自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，就能生成照明器具內(nèi)LED的VfTJ曲線。,照明器具中LED結(jié)溫的測(cè)量,把LED照明器具從專用加熱箱內(nèi)取出，可以和照明器具的熱試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。把器具放在GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)的附錄D規(guī)定的防風(fēng)罩內(nèi)，照明器具處于正常工作位置。按GB7000.1標(biāo)準(zhǔn)中12.4熱試驗(yàn)的要求進(jìn)行熱試驗(yàn),用照明器具內(nèi)的LED控制裝置把燈具中的LED矩陣點(diǎn)亮，此時(shí)LED照明器具處于正常工作狀態(tài)。觀察LED的熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值,當(dāng)溫度值達(dá)到熱平衡時(shí),轉(zhuǎn)換到測(cè)量位置,連續(xù)5次,每次間隔數(shù)十毫秒測(cè)量出5個(gè)被測(cè)LED的Vf值,通過(guò)電腦和專用函數(shù)計(jì)算軟件,計(jì)算出被測(cè)LED在斷開(kāi)工作電流瞬間的正向電壓降,并根據(jù)上述正向電壓降與結(jié)溫的關(guān)系曲線查出LED照明器具中被測(cè)LED在燈具工作至熱平衡時(shí)的結(jié)溫值，同時(shí)，也可以得到燈具連續(xù)工作至熱平衡時(shí)熱沉上參考點(diǎn)的溫度值。,四、回顧和總結(jié),對(duì)LED結(jié)溫的測(cè)量和控制，是LED進(jìn)入照明領(lǐng)域不可缺少的重要步驟，它使LED器件與LED照明器具前后工序有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。通過(guò)對(duì)LED的VfTJ曲線標(biāo)定，并利用這一曲線能指導(dǎo)并控制LED在預(yù)定的結(jié)溫下測(cè)量光、色、電參數(shù)，使LED這些參數(shù)的測(cè)量值更接近于實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)，另外LED的預(yù)定結(jié)溫的確定也給LED照明器具設(shè)計(jì)者指明了散熱控制的限值。同樣通過(guò)對(duì)照明器具內(nèi)LED的VfTJ曲線標(biāo)定，能測(cè)量出照明器具在額定的ta條件下的LED結(jié)溫，這不僅能評(píng)價(jià)LED器具散熱設(shè)計(jì)的合理性，而且還揭示出LED熱沉上參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)一步得