陳　軍，林振衡，謝海鶴

(1.莆田學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.現(xiàn)代精密測(cè)量與激光無損檢測(cè)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 莆田 351100)

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基于驅(qū)動(dòng)電流切變的大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)方法

陳軍1,2*，林振衡1,2，謝海鶴1,2

(1.莆田學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 莆田 351100；2.現(xiàn)代精密測(cè)量與激光無損檢測(cè)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 莆田 351100)

LED結(jié)溫是表征其性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，基于正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行結(jié)溫檢測(cè)被認(rèn)為是目前最準(zhǔn)確的方法。在研究了LED正向電壓隨結(jié)溫變化關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過小電流驅(qū)動(dòng)LED監(jiān)測(cè)正向電壓法檢測(cè)結(jié)溫平衡以獲取結(jié)溫的準(zhǔn)確值，采用大電流觸發(fā)連續(xù)采樣獲取結(jié)溫變化前的大電流下正向電壓值，并對(duì)其線性擬合，從而獲得大電流下的LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式。應(yīng)用該方法對(duì)同一LED不同電流和不同LED同一電流的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行多次檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：擬合得到的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式準(zhǔn)確、可重復(fù)性高，K值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.7%，結(jié)溫計(jì)算的不確定度估計(jì)值小于0.5 ℃。該方法為基于正向電壓法的結(jié)溫精確檢測(cè)提供了一種新的參考。

正向電壓-結(jié)溫關(guān)系；大電流；高速采樣；線性擬合

隨著對(duì)大功率LED制造技術(shù)研究的不斷深入，其輸出的光功率和發(fā)光效率不斷提升[1-4]，目前已被大量應(yīng)用于顯示、裝飾、照明、汽車車燈等領(lǐng)域[5,6]。大功率LED的廣泛應(yīng)用使得對(duì)LED各項(xiàng)參數(shù)、性能的檢測(cè)成為研究熱點(diǎn)。其中，結(jié)溫是影響大功率LED各項(xiàng)性能的主要因素，受到廣泛關(guān)注。在大電流下，LED結(jié)溫升高，會(huì)導(dǎo)致量子效率降低、光通量衰減、發(fā)光效率下降、波長漂移、壽命減短等現(xiàn)象[7-10]。同時(shí)，LED的結(jié)溫還是計(jì)算其熱阻的重要參數(shù)之一，因此準(zhǔn)確檢測(cè)LED的結(jié)溫具有重要意義。LED結(jié)溫的檢測(cè)方法有正向電壓法、反向電流法、熱阻法、紅外攝像法、白藍(lán)比法、相對(duì)輻射強(qiáng)度法等[10,11]，其中正向電壓法被認(rèn)為是目前檢測(cè)LED結(jié)溫最準(zhǔn)確的方法[10,12]。而正向電壓法檢測(cè)LED結(jié)溫的關(guān)鍵是先要獲取被測(cè)LED的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式或標(biāo)定正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)K，進(jìn)而通過檢測(cè)結(jié)溫穩(wěn)定時(shí)的正向電壓計(jì)算結(jié)溫。目前，對(duì)正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的測(cè)量主要有小電流法和脈沖電流法。利用小電流法獲取的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式進(jìn)行結(jié)溫檢測(cè)時(shí)，需要測(cè)量當(dāng)LED從大電流切換到定標(biāo)小電流時(shí)的正向電壓值[10,13]，這對(duì)切換瞬間小電流的精度和正向電壓值的讀取提出了較高要求。利用脈沖電流法可以直接檢測(cè)大電流下的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系，進(jìn)而通過該電流下穩(wěn)態(tài)時(shí)的正向電壓直接計(jì)算結(jié)溫，但對(duì)于不同的被測(cè)LED需要確定合適的脈寬，同時(shí)對(duì)脈沖電流源的參數(shù)與性能有很高的要求[11]，這些都給檢測(cè)帶來不便。

本文提出一種基于驅(qū)動(dòng)電流切變的大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)方法。該方法通過在不同恒溫環(huán)境溫度下，將用于LED結(jié)溫監(jiān)測(cè)的恒流源小電流切變?yōu)榇箅娏黩?qū)動(dòng)，并高速采集切變后瞬間結(jié)溫尚處于穩(wěn)定狀態(tài)的LED正向電壓值，然后對(duì)其進(jìn)行擬合，從而獲得大電流下LED正向電壓隨結(jié)溫變化的準(zhǔn)確關(guān)系。

1　LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系及正向電壓法檢測(cè)結(jié)溫原理

1.1LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系

多數(shù)情況下LED可看成由一個(gè)理想PN結(jié)和等效串聯(lián)電阻Rs組成，當(dāng)流過LED的正向電流為IF，兩端正向電壓為VF時(shí)，PN結(jié)電壓Vfj表示為：

Vfj=VF-IFRs

(1)

根據(jù)Shockley二極管方程[9,14]，式(1)改寫為：

(2)

式中I0為反向飽和電流，q為電子的電量，n為理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。將I0與溫度和能帶寬度的關(guān)系式代入式(2)并整理可得[14，15]：

(3)

其中A表示與PN結(jié)材料、類型、尺寸、摻雜等有關(guān)的系數(shù)，EG(0)是溫度為絕對(duì)零度時(shí)的能帶寬度，β是溫度系數(shù)。當(dāng)IF為恒流時(shí)，式(3)變換為[14,15]：

(4)

在IF一定的條件下，對(duì)于同一個(gè)LED，若等效串聯(lián)電阻Rs在一定溫度范圍內(nèi)不變，那么等式右邊可以看作常數(shù)，式(4)可簡化表示為：

(5)

式中K即為正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)。對(duì)式(5)進(jìn)行積分變換可得在一定溫度范圍內(nèi)正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的一般表達(dá)式：

VF=KT+V0

(6)

式(6)中，T表示LED的結(jié)溫(單位為℃)，V0表示T=0 ℃時(shí)的正向電壓，VF表示結(jié)溫為T時(shí)LED的正向電壓。可以看出，在一定溫度范圍內(nèi)LED正向電壓與結(jié)溫之間呈線性關(guān)系。

1.2正向電壓法檢測(cè)結(jié)溫原理

目前，對(duì)正向電壓法檢測(cè)LED結(jié)溫的運(yùn)用主要是基于小電流K系數(shù)法[10,13]。其基本原理是：用一個(gè)定標(biāo)小電流驅(qū)動(dòng)LED，分別對(duì)LED在不同結(jié)溫時(shí)的正向電壓值進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得該被測(cè)LED在定標(biāo)小電流下的正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)K或正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式。通過測(cè)量被測(cè)LED在結(jié)溫穩(wěn)定時(shí)從大電流切換到定標(biāo)小電流瞬間的正向電壓，并結(jié)合正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)K和定標(biāo)過程中某一基點(diǎn)的正向電壓、對(duì)應(yīng)結(jié)溫求出當(dāng)前結(jié)溫。

2　基于驅(qū)動(dòng)電流切變的大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)方法

2.1方法概述

通過恒流小電流監(jiān)測(cè)LED結(jié)溫穩(wěn)定，切變大電流瞬間提取結(jié)溫尚處于穩(wěn)定狀態(tài)的正向電壓值。設(shè)定不同結(jié)溫，獲取一組測(cè)量溫度范圍內(nèi)被測(cè)LED正向電壓及相應(yīng)結(jié)溫的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，從而獲得大電流下被測(cè)LED的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示，Is為監(jiān)測(cè)小電流(本實(shí)驗(yàn)中采用1 mA)，IF為恒流大電流，其設(shè)定值為欲測(cè)試的LED在某大電流下的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系，數(shù)據(jù)采集器用于高速采集LED驅(qū)動(dòng)電流從監(jiān)測(cè)小電流向大電流切變瞬間其正向電壓的變化數(shù)據(jù)。

圖1　檢測(cè)實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2具體方法

將被測(cè)LED置于恒溫箱中，設(shè)定恒溫箱的溫度為欲測(cè)試的第一個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)。通過恒流小電流Is與電壓表監(jiān)測(cè)LED結(jié)溫是否已達(dá)到平衡。當(dāng)溫度計(jì)上的讀數(shù)不再變化，電壓表上的測(cè)量值穩(wěn)定不變(2 min內(nèi)變化小于1 mV)，說明此時(shí)被測(cè)LED的結(jié)溫與周圍環(huán)境的溫度相同，將此時(shí)溫度計(jì)的測(cè)量值作為LED的結(jié)溫。

將LED的驅(qū)動(dòng)電流從監(jiān)測(cè)結(jié)溫平衡的小電流Is切變?yōu)闇y(cè)試大電流IF，通過數(shù)據(jù)采集器快速采集(數(shù)據(jù)采集器設(shè)定在上升沿觸發(fā)采集狀態(tài))接通IF瞬間LED正向電壓的變化數(shù)據(jù)。對(duì)采集得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析提取獲得切變后瞬間結(jié)溫尚處于穩(wěn)定狀態(tài)的LED正向電壓值。

以上過程即獲取了第一個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)被測(cè)LED的正向電壓與結(jié)溫的對(duì)應(yīng)值。在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，改變恒溫箱的溫度設(shè)定，按照上述方法，獲取一組被測(cè)LED在同一大電流下，不同穩(wěn)定結(jié)溫時(shí)的正向電壓，采用最小二乘法進(jìn)行擬合便獲得了被測(cè)LED在大電流IF時(shí)的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式，應(yīng)用該關(guān)系式可進(jìn)一步計(jì)算LED的結(jié)溫。

采用正向電壓法檢測(cè)LED結(jié)溫的一個(gè)要點(diǎn)是需要在相同電流情況下代入結(jié)溫穩(wěn)定時(shí)的正向電壓才能求出結(jié)溫。因此，與基于小電流法獲取的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式相比，通過獲取大電流下的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式求結(jié)溫時(shí)，只需測(cè)量該大電流下結(jié)溫穩(wěn)定時(shí)LED的正向電壓代入關(guān)系式即可求出結(jié)溫，更為簡便。

2.3IF接通瞬間結(jié)溫尚處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)LED正向電壓的提取

大電流會(huì)導(dǎo)致LED的結(jié)溫升高，不再等于其周圍環(huán)境的溫度，因此如何提取LED在驅(qū)動(dòng)電流從Is切換至IF，其結(jié)溫尚處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的正向電壓值是檢測(cè)大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的關(guān)鍵。

圖2所示為采集的IF=350 mA接通瞬間LED正向電壓連續(xù)變化的曲線。觀察圖2(a)可以看出，LED的正向電壓值從驅(qū)動(dòng)電流切變?yōu)镮F到采樣結(jié)束已出現(xiàn)下降，那是由于大電流的自加熱使LED結(jié)溫升高，正向電壓降低。觀察圖2(b)的細(xì)節(jié)圖可以發(fā)現(xiàn)，LED正向電壓的平均值下降了約6 mV(數(shù)值由采集導(dǎo)出的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得)。但是，通過觀察圖2(c)、(d)可發(fā)現(xiàn)，LED正向電壓達(dá)到最大值后的很短時(shí)間內(nèi)(15～50 ms)正向電壓的平均值并未出現(xiàn)下降，說明此時(shí)還沒有出現(xiàn)結(jié)溫升高正向電壓降低，可以認(rèn)為此時(shí)正向電壓的平均值為被測(cè)LED在結(jié)溫等于切變大電流前的結(jié)溫，IF等于350 mA時(shí)對(duì)應(yīng)的正向電壓。測(cè)試過程中將20～30 ms期間采集的1000個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為接通IF，結(jié)溫變化前的正向電壓。

圖2　IF接通瞬間LED正向電壓連續(xù)變化曲線

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了對(duì)所提出的基于驅(qū)動(dòng)電流切變的大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，以市場(chǎng)常見的大功率白光LED為測(cè)試對(duì)象，應(yīng)用該方法對(duì)同一LED在大電流分別等于180 mA、350 mA情況下的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，對(duì)同一批次共五個(gè)LED樣品在大電流等于180 mA時(shí)的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果及分析如下。實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)據(jù)采集器分辨率為16位，設(shè)定為上升沿觸發(fā)采集，采集速率100 k/s，連續(xù)采集15萬個(gè)數(shù)據(jù)。

3.1IF=180 mA時(shí)LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)

(1)正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的擬合

在IF=180 mA時(shí)，對(duì)被測(cè)LED的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行了六次重復(fù)測(cè)量。其中兩次測(cè)量得的LED正向電壓隨結(jié)溫變化的規(guī)律以及采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合的結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)被測(cè)LED的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系表現(xiàn)出良好的線性，即正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)K可以看作常數(shù)。

(2)測(cè)量擬合結(jié)果分析

全部六次重復(fù)測(cè)量擬合得的LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式和決定系數(shù)R2如表1所示。

表1　IF=180 mA時(shí)六次測(cè)量的正向電壓-結(jié)溫

圖3　IF=180 mA時(shí)正向電壓-結(jié)溫關(guān)系擬合結(jié)果

對(duì)比表1中數(shù)據(jù)可以看出，在該電流下，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)擬合得的LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式表現(xiàn)出高可重復(fù)性，擬合得的K的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.6%。全部六次測(cè)量擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2非常接近于1，因此可以認(rèn)為在測(cè)試溫度范圍內(nèi)被測(cè)LED正向電壓隨結(jié)溫變化的關(guān)系等同于擬合得的關(guān)系式。該結(jié)果也證明了與PN結(jié)類型、摻雜濃度、材料等有關(guān)的系數(shù)以及LED的等效串聯(lián)電阻在一定溫度范圍內(nèi)可以看作常數(shù)的結(jié)論[13,14]。

(3)結(jié)溫計(jì)算不確定度的分析

以表1中通過第一次檢測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式為例，對(duì)代入LED正向電壓VFn，計(jì)算結(jié)溫Tjn時(shí)的不確定度進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)單次反預(yù)測(cè)值x的不確定度計(jì)算公式[16]：

(7)

式(7)中，y對(duì)應(yīng)正向電壓，x對(duì)應(yīng)溫度，b表示斜率，本試驗(yàn)中n=8，Sy表示正向電壓觀測(cè)值的方差，Ux為單次反預(yù)測(cè)值x的不確定度。當(dāng)y取被測(cè)LED結(jié)溫等于115 ℃時(shí)的正向電壓估計(jì)值，并把有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(7)可計(jì)算得結(jié)溫Tj的不確定度為0.43 ℃。

3.2IF=350 mA時(shí)LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)

為進(jìn)一步證明所提出的大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)方法的可行性與準(zhǔn)確性，對(duì)IF=350 mA時(shí)的LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行了重復(fù)測(cè)試，結(jié)果如圖4和表2所示。

圖4　IF=350 mA時(shí)正向電壓-結(jié)溫關(guān)系擬合結(jié)果

次序正向電壓-結(jié)溫關(guān)系擬合結(jié)果VF(mv),T(℃)決定系數(shù)R21VF=-0.9254·T+3032.80.99862VF=-0.9348·T+3032.20.99533VF=-0.9204·T+3031.40.99524VF=-0.9336·T+3033.00.99475VF=-0.9368·T+3032.60.99336VF=-0.9252·T+3031.50.9961

對(duì)比全部六次測(cè)量線性擬合得的關(guān)系式可以看出，所提出的檢測(cè)方法在該電流下的測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出相似的可重復(fù)性，擬合得的K的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.7%。此外，擬合得的關(guān)系式表明，由于測(cè)試電流的增加，關(guān)系式中第二項(xiàng)的值有所增大，這與理論相符；同時(shí)隨著電流的增加，正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)K的絕對(duì)值減小，這與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果吻合。

3.3同批次不同LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系檢測(cè)

從同批次LED中隨機(jī)再抽取四個(gè)，對(duì)IF=180 mA時(shí)的LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)，共五個(gè)被測(cè)樣品的測(cè)量擬合結(jié)果如表3所示。

表3　IF=180 mA時(shí)同批次不同LED正向

表3中的數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于同批次的五個(gè)被測(cè)LED，正向電壓-結(jié)溫關(guān)系擬合結(jié)果之間的一致性比同一個(gè)LED重復(fù)測(cè)量擬合結(jié)果之間的一致性略差。但是，由于同一批次的LED芯片材料、PN結(jié)類型、幾何尺寸、摻雜濃度、封裝工藝等具有較好的一致性，所以在一定溫度范圍內(nèi)正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的擬合結(jié)果仍表現(xiàn)出良好的一致性，這與文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果一致。檢測(cè)結(jié)果同時(shí)還表明，所提出的直接檢測(cè)大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的方法不僅適用于不同大電流情況下正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的檢測(cè)，同樣也適用于對(duì)不同LED的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)。

4　結(jié)論

基于正向電壓法檢測(cè)LED結(jié)溫的基本原理，提出了一種驅(qū)動(dòng)電流切變的直接測(cè)量某大電流下LED正向電壓-結(jié)溫關(guān)系的方法。利用該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該方法可重復(fù)性高，獲取的正向電壓-結(jié)溫敏感系數(shù)K的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.7%，擬合得的正向電壓-結(jié)溫關(guān)系式準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)溫的不確定度的估計(jì)值小于0.5℃；在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，K值具有良好的線性，同批次LED的K值具有良好的一致性，與理論相符。該方法為采用正向電壓法檢測(cè)LED結(jié)溫提供了一種新的參考。

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(責(zé)任編輯：曾晶)

A Method of Detecting the Relation between Forward Voltage and Junction Temperature under High Current Based on Changing Driving Current

CHEN Jun1,2*, LIN Zhenheng1,2, XIE Haihe1,2

(1. School of Mechanical & Electrical Engineering, Putian University, Putian 351100, China；2. Key Laboratory of Modern Precision Measurement and Laser Nondestructive Detection, Colleges and Universities in Fujian Province, Putian 351100, China)

LED junction temperature is one of the key parameters to represent its performance. The method of detecting junction temperature based on the relation between forward voltage and junction temperature is considered to be the most accurate one. After studying the changing relation between forward voltage and junction temperature，a method for testing the balance of junction temperature by monitoring LED forward voltage under small driving current was used to get accurate junction temperature, a method of high current triggering continuous sampling was adopted to acquire the forward voltage under high driving current without junction temperature changing. Then the equation representing the relation between LED forward voltage and junction temperature can be achieved by linear fitting the different forward voltage at different junction temperature. By using the method, relations between forward voltage and junction temperature of same LED different current and different LED same current were detected for several times. The experiment result shows that the linear fitting equation has high accuracy and repeatability. The relative standard deviation of factorKis less than 0.7% and the uncertainty of calculated junction temperature is less than 0.5℃.The method provides a new reference for precision measurement of junction temperature based on forward voltage method.

forward voltage-junction temperature relation; high current; high-speed sampling; linear fitting

1000-5269(2016)02-0079-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.02.18

2016-03-15

福建省科技重點(diǎn)項(xiàng)目(2013H0039)；福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA15457，JA15439，JA13277)

陳軍(1981-)，男，講師，碩士，研究方向：LED檢測(cè)技術(shù)、電子技術(shù)應(yīng)用，Email:cj_sfe100@163.com.

陳軍，Email：cj_sfe100@163.com.

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