文章介紹了通過Vf-TJ 曲線的標出并控制LED 在控定的結溫下測量其光、色、電參數(shù)不僅對采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結溫提供了目標限位，同時也使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的測量參數(shù)更接近于實際的應用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測量LED 的結溫并確定LED 參考點的限值溫度與結溫的函數(shù)關系。這對快速評估采用LED 的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個有效的途徑。
一、 序言
對于一個新興的產品，其產品自身的發(fā)展總是先于產品標準和檢測方法。雖然產品的標準和檢測方法不可能先于產品的研發(fā)，但是，產品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產品設計開發(fā)的進度，因為產品的標準和檢測方法的制定過程本身就是對產品研發(fā)過程的回顧研討和小結，只要條件基本成熟，產品標準和檢測方法的制訂越及時，就越能減少產品研發(fā)過程的盲目性。LED 照明產業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，我們對LED 照明產品標準和檢測方法的回顧、小結的時候已經基本到來。
二、 LED 模塊的光電參數(shù)和檢測方法的現(xiàn)狀和改進方法
1、傳統(tǒng)的LED 模塊的檢測方法
目前傳統(tǒng)的 LED 模塊的檢測方法主要有兩種，第一種是采用脈沖測量的方法，它是把照明LED 模塊固定在測量裝置上(例如積分球的測量位置等)，采用脈沖恒流電源與瞬時測量光譜儀的同步聯(lián)動，即對LED 發(fā)出數(shù)十毫秒～數(shù)佰毫秒恒流的脈沖電流的同時，同步打開瞬時測量光譜儀器的快門，對LED 發(fā)出的光參數(shù)(光通量、光色參數(shù)等)進行快速檢測，同時，也同步采集LED 的正向壓降和功率等參數(shù)。由于這種方式在檢測過程中，LED 的結溫幾乎等同于室溫，所以，測量結果的光效高，光色和電參數(shù)與實際使用情況有明顯差異，這一般都是LED 芯片(器件)生產商采用的快速檢測方法，而與LED 實際應用在最終照明器具中的狀態(tài)不具有可參比性。
第二種檢測方法是把LED模塊安裝在檢測裝置上后，可能帶上一固定的散熱器(也可能具有基座控溫功能)，給LED施加其聲稱的工作電流，受傳統(tǒng)的照明光源檢測方法的影響，也是等到LED達到熱平衡后再開始測量它的光電參數(shù)。這種方法看似比較嚴密，但實際上，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)仍沒有好的關聯(lián)性，因此所測的光電參數(shù)與今后實際的應用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可參比性。已經頒布的GB/T24824-2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法》標準中，在這方面是這樣規(guī)定的：’試驗或測量時LED模塊應工作在熱平衡狀態(tài)下，在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時，最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗的可復現(xiàn)性。如可能監(jiān)測LED模塊結電壓，則應首選監(jiān)測結電壓。否則，應監(jiān)測LED模塊指定溫度測量點的溫度’。可見在監(jiān)測結電壓的條件下來測量LED 模塊的光電參數(shù)是保證檢測重現(xiàn)性的首選方案，但是，標準中沒有指明在模擬實際使用結溫條件下檢測LED 模塊的光、色、電參數(shù)。
2、LED 模塊測量方法的改進
眾所周知，LED 的光、電參數(shù)特性與它的工作時的結溫密切相關，同一個LED 產品，結溫的不會造成這些參數(shù)的明顯不同，這也造成了同一個LED 光、色、電參數(shù)測量結果的明顯不一致性，所以測量LED 的光電參數(shù)首先應考慮在設定的工作結溫的條件下來進行。另外，LED 因為封裝的工藝、材料等差異，其聲稱的最高工作結溫是明顯不同的，為了保證LED 照明產品具有高效、長壽的特點，LED 實際的工作結溫應明顯低于最高工作結溫。例如，目前我們大量采用的LED 封裝方法和技術，在LED 的發(fā)光面前，都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實踐證明，要使此類LED 照明器具，到70%的光通維持率的時間要≥6 萬小時，其工作結溫必須保持在70℃～75℃以下。從提高光效和使用壽命的角度來講，LED 的工作結溫能保持在60℃以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價比來講，則應該控制在能達到預期的光效和使用壽命的基礎上把LED的最高工作結溫控制在70℃～75℃最為合適。為了使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的檢測也盡可能接近于實際應用的結溫狀態(tài)，就必須解決如何測量LED的結溫并能在這一結溫下進行光、色、電參數(shù)的檢測問題。
(1)目前LED 的結溫測量方法大概有
1)通過測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數(shù)求得結溫。但是因為耗散功率和熱阻系數(shù)的不準確，所以測量精度比較低。
2)紅外熱成像法，利用紅外非接觸溫度儀直接測量LED 芯片的溫度，但要求被測器件處于未封裝的狀態(tài)，另外對LED 封裝材料折射率有特殊要求，否則無法準確測量，測量精度比較低。
3)利用發(fā)光光譜峰位移測定結溫，也是一種非接觸的測量方法，直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動技術來測量結溫，這一方法對光譜測試儀器分辨精度要求較高，發(fā)光峰位的精度測定難度較大，而光譜峰位移1 納米的誤差變化就對應著測量結溫約30 度的變化，所以測量精度和重復性都比較低。
4)向列型液晶熱成像技術，對儀器分辨率要求高，只能測量未封裝的單個裸芯片，不能測量封裝后的LED。
5)利用二極管 PN 結電壓與結溫的Vf-TJ 關系曲線，來測量LED 的結溫。
從上述介紹的各種 LED 結溫的測量方法可看出，采用監(jiān)視二極管PN 結電壓的變化來推算結溫的方法最具有可行性并且測量精度也最高，所以在很多集成IC 電路中，為了檢測IC 芯片的工作結溫，往往會刻出或值入1 個或幾個二極管，通過測量其正向電壓降的變化來達到測量芯片結溫的目的。
(2)目前國際上較先進的Vf-TJ 測量方法
目前國際上先進的 Vf-TJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線放入在硅油缸內，隨后加熱硅油缸使硅油的溫度達到140℃左右，隨后讓缸內硅油自然冷卻，只要冷卻時硅油溫度下降的速度足夠慢，就可以認為LED 的結溫與LED 的熱沉的溫度是基本一致的，在此過程中，根據(jù)所測的硅油溫度，每下降2℃～10℃時瞬時給LED 輸入規(guī)定的電流脈沖，并測量其在這一溫度下的正向電壓降，把這一測量點的溫度和正向電壓降導入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫，從140℃左右開始，隨溫度的下降，每下降一個設定的等分溫度測量一次熱沉溫度和正向電壓降，一直測量到25℃左右，當完成這一組測量數(shù)據(jù)并導入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫后，由軟件產生一個Vf-TJ 曲線。這一方法屬于在溫度下降時測量方法，對于測量來說是可行的，但是因為試驗室的環(huán)境溫度是衡定的(一般為25℃)，而硅油缸的油溫是從高到低下降的，這就造成當硅油缸的油溫較高時，因為與試驗室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，為了保證測量的準確性采用了適當?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時溫度下降不致于太快，但當硅油缸溫度較低時，因為與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢，這大大延長了這一檢測過程的測量時間。因為上述原因，這一溫度下降時的測量方法在標定Vf-TJ 過程是不可能短的，(大約需4～5 小時)，否則將產生明顯的測量誤差。另外，這種檢測裝置油缸是固定的，要測量第二組，時間很慢。還有上述加熱裝置是在硅油缸外面的底部，加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯后，這也造成這一方法測量結溫的準確性比較差。
(3)新的Vf-TJ 檢測方法
本機構發(fā)明的檢測方法是采用溫度上升時的測量方法，采用電腦設定的PID(積分、微分加上加熱與不加熱時間比例控制)方法來加熱和控制硅油缸的溫度，即在硅油缸加熱的起始段，加熱時間與不加熱時間的比例是很小的，并且可調，使硅油缸溫度上升速率能保證LED 結溫、熱沉與硅油溫度的一致性，隨著硅油溫度的逐步上升，與室溫的溫差也隨之加大，此時PID 加熱和控溫系統(tǒng)會自動加大加熱時間與不加熱時間的比例，(實際加大了單位時間內的加熱功率)所以能保證硅油缸內硅油的溫度上升速率始終保持在設定的速率上，不會因為硅油溫度與環(huán)境溫度的差異不同而發(fā)生油溫上升的速率不同。可以設定讓硅油衡溫在應用溫度范圍的任一溫度值上，也可以實現(xiàn)0.1℃/分鐘～2℃/分鐘的升溫速率。
在每次升溫階段后，具有一個衡溫控制階段，即升溫階段和衡溫階段形成了階梯式控溫曲線。隨著溫度階梯式上升，測量正向電壓可以設定成每上升0.5℃測量一次，并且可以以0.5℃的間隔，可逐步調整到每上升10℃測量一次。為了保證控溫以及測量的溫度的及時性，采用內置式加熱，另外又為了保證硅油缸內油溫的一致性，在油缸底部加有一個磁性感應的攪拌條，利用外部電機轉動并通過磁感應帶動這一攪拌磁條在油缸內轉動，這一轉動速度可調，從而保證了油缸內的硅油溫差保持在0.2℃范圍內。本測量裝置因為硅油溫度上升的速率幾乎一致，并且實行階梯式升溫和控溫，從而能保證在合理的溫度上升速率的條件下得到準確的檢測結果，并且檢測時間(從25℃到140℃約為2.5 個小時左右)能明顯低于目前國際上已有的檢測裝置的測量時間。目前國際上已有的檢測裝置是單硅油缸結構，本測量裝置采用雙硅油缸結構，當完成一組樣品的測量后，更換一個硅油缸可立刻開始第二組LED 的檢測。本測量裝置在每一個測量溫度點測得的溫度和LED 正向電壓降后，導入到數(shù)據(jù)庫并由編制的軟件生成Vf-TJ 曲線。
(4)照明LED 結溫測量及利用Vf-TJ 關系曲線指導光、色、電參數(shù)的測量
得到被測 LED 的Vf-TJ 的曲線后，最重要的是用于定結溫條件下的光、色、電參數(shù)測量。檢測系統(tǒng)見圖1。把被測LED 固定到帶控溫/恒溫基座的積分球內，給LED 通以工作電流，給LED 燃點15～20 分鐘基本達到穩(wěn)定后，快速切換到測量電流(即前面標定Vf-TJ 曲線的測量電流)用數(shù)毫秒時間快速測定被測LED的正向電壓Vf，通過與Vf-TJ 曲線中設定結溫值對應的Vf 比較，如與目標值有差異，控制程序將自動調整恒溫基座的溫度來使LED的正向電壓Vf達到目標結溫值對應的結電壓。在快速測定Vf 后，裝置將自動回復使LED 通以工作電流的狀態(tài)。當被測LED 在通過工作電流的情況下，其結溫達到目標值(即達到目標結溫值對應的Vf 值)且熱平衡后，系統(tǒng)將自動啟動光譜儀測量光、色參數(shù)同時讀取其電參數(shù)。
上述測量方法最明顯的優(yōu)點是，在LED 實際的應用中，只要照明器具中LED工作在目標結溫值附近，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)也具有很好的測量結果的重現(xiàn)性。
?
圖1 LED 結溫測量及利用Vf-TJ 曲線在設定結溫條件下的光、色、電參數(shù)測量系統(tǒng)。
三、 LED 進入照明器具后結溫的測量
1、LED 進入照明器具后結溫控制和測量的必要性
LED 應用到照明器具中時，人們普遍希望具有幾萬小時的使用壽命，但是要測量采用LED 的照明器具的光衰減和壽命，按照美國DOE 的LM80 要求往往要化300 天以上的時間(6000h)，這在很多工程招標和驗收時是無法實施的。
結溫作為衡量一個 LED 照明器具性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，是LED 照明器具在工程應用中可靠性測量的核心要素。如果能準確測量出燈具內LED 的PN 結結溫和PN 結到散熱器某一指定點的熱阻這兩個定量的指標，就不僅能衡量采用LED 的照明器具散熱特性的優(yōu)劣，還能定性地知道各種采用LED 的同類照明器具的大致使用壽命，另外還能得知LED 照明器具的光效和其他光參數(shù)的測量值是在什么結溫條件下測得的，并且能得出照明器具中功率型LED 熱沉上的某一點(參考溫度點)與結溫之間的函數(shù)關系，從而指導企業(yè)正確地標出熱沉參考點的溫度限值。
2、測量方法介紹
目前國內外對 LED 的PN 結的結溫，只能進行單個LED 或者單個LED 摸塊的結溫和熱阻的測量，還沒有完整的對照明器具內LED 實際工作結溫和熱阻的測量方法，下面介紹一種完整的對照明器具內LED 實際工作結溫和熱阻的測量方法。
1)Vf-TJ 曲線標定
(1)將照明器具內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LED，按圖2 電路連接，在這一顆LED 的熱沉(LED 自身所帶的小散熱器)上粘上一個熱電偶。使燈具在25℃±2℃的環(huán)境下放置6～12 小時(視所測燈具的體積大小確定放置時間)，然后給圖2 中的被測LED 通上一支測量電流If，If 視被測LED 的功率大小可在2mA～50 mA 范圍選定。通電測量時間為0.005S～2S，在此期間連續(xù)測量被測LED 的正向電壓降Vf 可得出如圖3 所示曲線。從該曲線上可得出該照明器具內被測LED 在通過某一恒定的測量電流時，在單位的測量時間Δt 內Vf 下降的數(shù)值ΔVf。該數(shù)值留作下述檢測過程作為測量電流引起的Vf 變化的修正量。當測量時間小于3ms 并且測量電流比較小時，可以不引入修正量。
?
圖 2 LED 的燈具中LED 矩陣某一串LED 組的測量電路連接圖
?
圖3 在單位的測量時間內通過測量電流時，被測LED 的Vf 下降的數(shù)值ΔVf和測量時間Δt 的關系曲線
(2)把三個2 刀2 擲轉換繼電器調到測量位置，把LED 燈具放入一個可編程控制的專用加熱箱內，該加熱箱采用PID 編程方式，設定階梯式加溫方式對箱體內LED 燈具進行加熱。階梯式加溫的控溫曲線見圖4。圖4 中每一階梯分為恒溫時間段和升溫時間段，這兩個時間段可分別設定，設定范圍為1 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2 電路測量被測LED 的正向電壓降穩(wěn)定時，說明燈具內LED 已達到某一設定點溫度的熱平衡。當每一個恒溫時間段即將結束，開始測量被測LED 的正向電壓降Vf，根據(jù)實際測量的時間△t，從圖3 中得出修正是△Vf。把測得的Vf 值再加上△Vf，得出D1 在該溫度下不受測量電流影響的Vf1’，即Vf1’=Vf1+△Vf，把這一Vf1’和用熱電隅測的溫度T1 導入到設定的電腦數(shù)據(jù)庫中，重復這一步驟，可以得出一組經修正的數(shù)值。把這一組經修正的數(shù)值自動導入數(shù)據(jù)庫，就能生成照明器具內LED 的Vf-TJ 曲線。
?
圖 3 加熱箱階梯式加溫的控溫曲線
2)照明器具中LED 熱阻的測量
把上述在加熱箱內已完成 Vf-TJ 關系曲線標定的照明器具取出冷卻后，按如下步驟進行LED 熱阻的測量。
(1) 把該照明器具放入到GB 7000.1 標準附錄D 規(guī)定的防風罩內，按正常的熱試驗位置布置好燈具，除了原來已經粘接在被測LED D1 上的熱電隅外，還可根據(jù)檢測委托方要求，在燈具內LED 的散熱器的某些指定點甚至燈具外殼上某些點上粘接熱電隅，(可以是單個或多個熱電隅)。把每一熱電隅連接到測溫儀上，使照明器具在25℃±1℃條件下放置8 小時。
(2) 根據(jù)照明器具內LED 控制裝置輸出給D1 的實測工作電流值，設定測試恒流電源，按圖2 電路給D1 通上一個實測工作電流，加熱1 分鐘～30 分鐘，其間每隔1 分鐘用原來標定的測量電流對D1 進行一次Vf 的測量，并按Vf-TJ 曲線查出對應的結溫值，同時監(jiān)視熱電隅的測量溫度，把測量的結溫值和監(jiān)視熱電隅的測量溫度值自動導入數(shù)據(jù)庫。當測量的Vf 查得的結溫與熱電隅所測溫度達到最大差值時，記錄下此時的VfR 值和熱電隅的測量的某一點溫度值TB。把VfR 值通過Vf-TJ 曲線，得到該D1 即時的結溫值TfR。按熱阻RAB=(TfR-TB)/P 公式計算出D1 的PN 結到熱沉或散熱器甚至外殼的熱阻值。
式中：
TFR--是D1 的PN 結結溫與熱電隅的測量值差達到最大值時D1 的正向電壓降Vfa 值再根據(jù)Vf-TJ 曲線查得的該時刻LED 的結溫。
TB--是當測量的Vf 查得的結溫與熱電隅所測溫度達到最大差值時，熱電隅測得的該時刻的參考點的測度值(該參考點可以是熱沉，也可以是散熱器上的某一點，亦可以是燈具外殼散熱器上的某一點)。
P--被測LED 測熱阻時的加熱功率，是實測工作電流與結溫測量過程被測LED 正向電壓降的平均值的乘積。
3)照明器具中LED 結溫的測量
把 LED 照明器具從專用加熱箱內取出，本條試驗可以和照明器具的熱試驗同時進行。把采用LED 的照明器具仍放在GB 7000.1 標準的附錄D 規(guī)定的防風罩內，照明器具處于正常工作位置。把三個2 刀2 擲轉換繼電器調到工作位置，按GB7000.1 標準中12.4 熱試驗的要求進行熱試驗， 通過照明器具內的LED 控制裝置把照明器具中的LED 矩陣點亮，此時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，當溫度值達到熱平衡(每小時內溫度變化小于1℃)時，把三個2 刀2 擲轉換繼電器調到測量位置，連續(xù)5 次，每次間隔數(shù)十毫秒測量出5 個被測LED 的正向電壓值，通過電腦和專用函數(shù)計算軟件，計算出被測LED 在斷開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溫的關系曲線查出LED 照明器具中被測LED 在連續(xù)工作至熱平衡時的結溫值，同時，也可以得到燈具連續(xù)工作至熱平衡時熱沉上參考點的溫度值。
四、總結
本檢驗方法的意義就在于，建立了LED 照明燈具’驗血和彩色CT 的檢查及血液造影儀’及其方法。可以預見，這一方法的確立將是指導 LED 照明器具改進設計、制造環(huán)節(jié)，使LED 照明器具設計和生產技術走向更高層次的有力推手。