基于照度的非接触式大功率白光LED结温测量

邱培镇，顾菊观，胡 岳

(湖州师范学院 物理系，浙江 湖州 313000)



基于照度的非接触式大功率白光LED结温测量

邱培镇，顾菊观，胡 岳

(湖州师范学院 物理系，浙江 湖州 313000)

利用简易照度计测量LED结温，搭建了非接触式大功率白光LED结温测量实验装置. 结果表明：恒流驱动下，大功率白光LED的结温和照度值存在较好的线性关系.

大功率白光LED；结温；照度；非接触式

1 引 言

发光二极管(Light emitting diode,LED)是一种新型固体照明光源，具有高光效、小功耗等优点，已广泛应用于照明、显示及背光等领域[1-2]. 在实际应用中，随着LED功率的不断提高，LED芯片到热沉的热流密度也在增加，如果散热问题解决不好，芯片内部热量将逐渐积累，引发LED结温不断上升，造成LED发光波长漂移、发光效率降低、荧光粉老化等一系列问题. 因此如何快速、准确地测量LED结温，使LED结温保持在允许范围内，已经成为研究的热点. 目前，测量LED结温的方法主要有正向电压法[3]、热阻法[4]、光谱法[5]、红外成像法[6]等. 正向电压法被认为是最精确的测量单个LED结温的方法，但对集成LED照明灯具，由于灯具外壳和防水绝缘材料等的限制，通常无法直接测量LED引脚端的电压. 因此，正向电压法和热阻法的应用受到限制. 而光谱法、红外成像法可以实现非接触式的LED结温测量. 本文提出了一种基于照度测量的非接触式大功率白光LED结温测量方法，该方法是在大功率LED正常工作时，利用简易照度计间接测量LED结温，搭建了对应的实验装置，实验结果表明：大功率白光LED的结温和照度值之间存在较好的线性关系. 根据这一线性关系，只要获得LED发光时的照度值，就可以间接求出此时LED对应的结温.

2 实验原理及实验装置

文献[7]研究了大功率LED结温对发光特性的影响，给出了恒定电流驱动下白光LED光通量随结温的变化具有较好的线性关系，即随着LED结温的升高，光通量保持线性降低. 依据照度与光通量的关系：

E=Φ4πr2,

(1)

式中，E表示距离光源距离为r处的照度，Φ表示光源发出的光通量. 即照度为光源照到某一物体表面上的光通量与该表面面积之商[8]. 由文献[7]和式(1)可以预测LED发光的照度值随结温的变化也会有较好的线性关系，这是本文实验设计的基本原理. 为了验证该原理的正确性，对浙大三色公司生产的LED-202光色热电参量综合性能测试仪做了改进，加入并固定一个照度计，搭建了基于照度测量的非接触式大功率白光LED结温测量的实验平台. 平台简易原理图如图1所示. 图1中，样品LED放在暗室中，照度计固定在距离LED为r的位置处，本实验取r=12 cm. 通过浙大三色LED-202光色热电参量综合性能测试仪可以实现热沉温度的控制、LED恒流驱动的控制、LED结温、结电压的显示. 实验所用照度计是YF2006专业袖珍照度计(测量范围0.2～200 lx). 所用LED是深圳佳鸿公司生产的1 W白光LED.

图1 实验平台简易原理图

3 实验结果与分析

首先给LED输入350 mA正常工作电流，通过测试箱内的自动加热控温装置，设置控温温度为25 ℃，启动热沉主机电源，当LED与热沉达到热平衡后(使结温可以达到稳定为准)，再测量LED的结温、正向电压、照度. 改变自动加热控温温度(从25～95 ℃每间隔10 ℃测量1次)，分别记录LED对应正向电压、结温、照度值的读数. 每次测量时为了使LED结温度达到稳定，在每个特定控温温度下均等待10 min以获得热平衡. 图2为实验测得在恒流驱动下，LED正向电压与结温的关系图，其线性拟合方程为:

V=-0.002 6T+3.233 9.

由图2和拟合方程可知：在驱动电流恒定的情况下，大功率白光LED正向电压与其结温具有较好的线性关系. 只要能够测量出某结温下的正向电压，根据拟合方程即可快速求出该结温值.

图2 正向电压-结温关系图

图3是实验所测大功率白光LED照度-结温关系测量结果，其线性拟合方程为：

E=1 000×(-0.002 4T+2.142 6).

由图3可以看出，随着白光LED结温的升高，其辐射的照度值逐渐降低. 照度值随着结温上升而出现下降的主要原因是LED各外延层之间存在一定的晶格失配，从而在界面上形成大量的诸如位错等缺陷结构. 随着结温的升高，这些缺陷会快速繁衍，甚至侵入到发光区，形成大量的非辐射复合中心，进而使得LED器件的注入效率及发光效率降低. 实际测量中，只要能够测量出某一结温下的照度，根据线性关系和某一照度-结温基点即可求出该测量照度对应的结温值. 可用(2)式表示：

Ttext=To+Etext-EoK,

(2)

式(2)中，To,Eo分别为基点的结温(初始结温或者环境温度，即认为在LED点亮前或者点亮瞬间，LED与周围环境充分达到热平衡，此时将LED的初始结温理解为等于环境温度)和照度值，Ttext,Etext分别为测试点的结温和照度值.K为比例系数. 为了减少实验误差：照度计安装时，调整照度计探头几何中心与LED光源光学中心同轴，探头平面与光轴垂直，并调整好照度计受光面到光源的距离；在均匀稳定的光源辐射下，为进一步减少实验误差，提高测量精度，实验时，每个控温温度下，用照度计重复测量辐射照度10次，然后取其平均值作为照度值.

图3 照度-结温关系图

4 结 论

本文提出了基于照度测量的非接触式大功率白光LED结温测量方法并搭建了对应的实验装置. 结果表明：恒流驱动下，大功率白光LED的照度、正向电压会随着结温的升高而减小，并呈现较好的线性关系. 该方法具有装置简单、非接触测量、不会破坏灯具的结构等优点. 作为一种非接触测量LED结温的方法，照度法具有一定的实际应用价值. 但该测量技术还需要在各种类型的白光LED进行大量的实验论证和统计分析，需要进一步的理论与实验研究.

[1] Narendran N, Gu Y. Life of LED-based white light sources [J]. Journal of Display Technology 2005,1(1): 167-171.

[2] Narendran N, Gu Y, Freyssinier J P, et al. Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs [J]. Journal of Crystal Growth, 2004,268(3):449-456.

[3] Xi Y, Schubert E F. Junction-temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method [J]. Applied Physics Letters, 2004,85(12):2163-2165.

[4] 周长波,钱可元,罗毅. 准确测量大功率 LED 热阻的新方法[J]. 半导体光电, 2009,30(1):43-46.

[5] 刘立明,郑晓东. LED 结温与光谱特性关系的测量[J]. 光子学报,2009,38(5):1069-1073.

[6] 李学夔,谭海曙,黄杨程. 大功率 LED 热特性测试评价方法研究[J]. 半导体光电,2010,31(6):838-841.

[7] 费翔,钱可元,罗毅. 大功率LED结温测量及发光特性研究[J]. 光电子·激光,2008,19(3):89-292.

[8] 陈元灯，陈宇. LED制造技术与应用[M]. 北京:电子工业出版社，2011：106-107.

[责任编辑：郭 伟]

Non-contact measurement of junction temperature of high power white LED by illumination

QIU Pei-zhen,GU Ju-guan,HU Yue)

(Department of Physics, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

A Non-contact experimental device to measure the junction temperature of high power white LED was set up by using a simple illuminometer. The results showed a good linear relationship between the junction temperature and illumination value of high power white LED driven by constant electric current.

high power white LED; junction temperature; illumination; non-contact method

2014-11-27；修改日期：2015-01-21

浙江省科技厅项目(No.2013C01065)；湖州师范学院校级科研项目(No.KX21064)

邱培镇(1981-)，男，山东济宁人，湖州师范学院物理系实验师，硕士，主要从事光电检测技术方面的教学和研究工作.

TN312.8

A

1005-4642(2015)06-0032-03