一種間接的LED結(jié)溫測量的方法

苗雨橋 李響

(北京銓富科技有限公司 北京 100102)

1 前言

LED照明作為新一代理想的綠色光源，目前已經(jīng)逐步從高端的景觀照明，工程應(yīng)用滲透至普通的商用照明甚至民用照明中，與此同時由于各國各地針對環(huán)境的保護(hù)要求日趨嚴(yán)格，各國政府已經(jīng)陸續(xù)頒布了廢止普通白熾燈的時間表，這更加劇了LED照明普及的速度。由于LED照明不僅是綠色節(jié)能的新技術(shù)可以迅速看到由于節(jié)能所帶來的經(jīng)濟(jì)回報，更因為LED本身的技術(shù)特點，相比其傳統(tǒng)照明有長壽命的優(yōu)勢，這樣更凸現(xiàn)了LED照明的環(huán)保特質(zhì)。但是由于市場上LED的上游芯片供應(yīng)良莠不齊，同時下游產(chǎn)品設(shè)計階段的成本壓力，導(dǎo)致很多產(chǎn)品設(shè)計沒有條件考慮產(chǎn)品的壽命，這主要是因為LED產(chǎn)品壽命的測量和估算需要比較復(fù)雜的測量手段，產(chǎn)品設(shè)計階段往往由于測量手段的不當(dāng)，不能真實的了解產(chǎn)品的實際壽命。本文正是針對LED的壽命估算的關(guān)鍵參數(shù)LED結(jié)溫的測量的一種方法的改進(jìn)，從原理上分析了LED的正向電壓和LED結(jié)溫的映射關(guān)系，將復(fù)雜的直接溫度測試轉(zhuǎn)化為簡單的電壓測試，提高了測試的可操作性，降低了復(fù)雜性。

2 LED 發(fā)光原理

LED (Light Emitting Diode),發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，其主要作用就是將電能轉(zhuǎn)化成光能，其發(fā)光過程包括三個主要部分：(1)正向偏至電壓下的載流子注入，在正向電壓的作用下，其N極中帶負(fù)電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域，并且與之復(fù)合；(2)由于電子與空穴的結(jié)合，同時伴隨光子的產(chǎn)生，在PN結(jié)填充不同的激發(fā)材料，利用填充材料的帶隙，可以控制光子的波長，而光子的波長又同光的顏色有對應(yīng)關(guān)系，所以不同材料就會有對應(yīng)不同的顏色的光產(chǎn)生；如圖1；3，光子產(chǎn)生后悔進(jìn)一步激發(fā)外部封裝的熒光材料，對應(yīng)將光的頻譜和能量產(chǎn)品另外一次變化，產(chǎn)生可見光，如圖2。目前比較成熟的白光LED技術(shù)是由日亞化學(xué)發(fā)明的利用InGaN產(chǎn)生藍(lán)光，同時激發(fā)黃色的YAG熒光粉來得到同自然光接近的白光。在這個電光轉(zhuǎn)換過程中會伴隨有熱的產(chǎn)生，這對工程應(yīng)用有很多不利影響。

3 LED節(jié)溫直接測量方法

雖然LED被業(yè)界內(nèi)外認(rèn)為是綠色的光源，但實際上其在發(fā)光的同時依舊會伴隨有大量的熱量產(chǎn)生，依照目前業(yè)內(nèi)已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品，芯片的光效一般維持在90-100lm/w左右，而實際產(chǎn)品通常在70-80lm/w范圍。LED的發(fā)熱對于LED的壽命是一個致命問題，所以在LED產(chǎn)品設(shè)計中，需要嚴(yán)格控制LED的發(fā)熱進(jìn)而來保證壽命；通常的做法是通過對LED結(jié)溫的測量，利用TM21的推算方法來估算LED產(chǎn)品的壽命。這就引申出對LED結(jié)溫的測量這一問題。圖3是白光LED的內(nèi)部剖析圖，理想的LED結(jié)溫測量方法是將溫度傳感器盡可能的靠近PN結(jié)處，即LED的熱源處，這是由于一般溫度傳感器的體積會比被測量體（LED的PN結(jié)）體積大，這樣就增大了系統(tǒng)的熱容值，增加測量誤差，同時由于受到實際操作的局限，在產(chǎn)品應(yīng)用中我們很難完成以上提到的測量；通常的做法是LED的芯片供應(yīng)商會根據(jù)自己的材料，工藝以及相對大量的測試結(jié)果，給出一個LED的PN結(jié)到LED焊盤的一個熱阻參考值R，用戶只需要測量LED焊盤的溫度，通過公式1；推算出LED的結(jié)溫。

但這種做法有一些局限性，最直接的問題就是LED熱阻參考值的精確性，通常的LED供應(yīng)商會給出一個針對這個參數(shù)的一個參考范圍，而往往這個范圍是十分寬泛的，甚至有最小值與最大值相差僅2倍的情況（某型號LED的規(guī)格書中熱阻一項的參考值最小為17/W，最大為40/W）,這就嚴(yán)重影響設(shè)計者的判斷。

4 LED正向電壓與節(jié)溫的物理關(guān)系

半導(dǎo)體物理學(xué)中有關(guān)PN結(jié)的研究可以得出PN結(jié)的正向電流 與正向電壓 滿足以下關(guān)系：

式中：e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度， 為反向飽和電流，它是一個與PN結(jié)材料禁帶寬度及溫度等因素有關(guān)的系數(shù)，是不隨電壓變化的常數(shù)。由于在常溫（300K）下，kT/q=0.026,而PN結(jié)的正向壓降一般為零點幾伏,所以上式括號內(nèi)的第二項可以忽略不計,于是有

經(jīng)過初等數(shù)學(xué)變換可得V 與T有線性關(guān)系如下：

同時大功率LED，在工作時額定電流很大，這時歐姆接觸引起的壓降就不能被忽略，所以最終V與T 的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為：

其中 M是線性函數(shù)的斜率，其單位為/V，與正向電流有關(guān)，但小范圍內(nèi)可忽略，N是線性函數(shù)的對零偏移，單位是 ，與正向電流有關(guān)。

目前一些大型的設(shè)備供應(yīng)商，依照此原理完成的設(shè)備，通常需要脈沖式測量，其目的是為了避免由于長時間通電發(fā)熱而導(dǎo)致的V 值得下降；從而得到一個純粹的V與T 對應(yīng)關(guān)系；但是這在應(yīng)用中并不實際，因為實際應(yīng)用中由于LED本身發(fā)熱而導(dǎo)致的V 下降是不可避免而且是需要重點考慮的。

5 實測內(nèi)容以及結(jié)果

為保證測試數(shù)據(jù)對產(chǎn)品設(shè)計有指導(dǎo)意義，本文推薦的試驗盡可能的同實際產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境所一致。首先將LED芯片其焊接到一個近似為無窮大的散熱器上（相對其功率范圍），將LED兩端通以恒流源驅(qū)動，并將其放置于一個溫度可控的恒溫?zé)o空氣對流的裝置中，并將溫度傳感器安裝于散熱器上距離LED遠(yuǎn)近不同的位置上。控制正向驅(qū)動電流，控制恒溫裝置的溫度；監(jiān)視直至不同位置的溫度傳感器溫差很小（本次試驗約定為0.2，證明在實際應(yīng)用中T與T已經(jīng)達(dá)到一個平衡狀態(tài)）同時溫度傳感器相對時間變化也很穩(wěn)定；記錄下對應(yīng)的V值，然后依次改變恒溫裝置溫度重復(fù)試驗內(nèi)容；待完成一個電流值后再依次循環(huán)測試不同電流值得表現(xiàn)，繪制成表格。此方法有利于設(shè)計者結(jié)合實際產(chǎn)品的情況，只需要測量LED兩端的實際工作電壓，以及對應(yīng)的設(shè)計電路，通過對應(yīng)所繪制的表格來判斷產(chǎn)品的T 值，進(jìn)而推算產(chǎn)品壽命。本文選取了國際上某知名品牌的一款常見的功率型白光LED，其正向電壓為近似6V（內(nèi)部是2個PN結(jié)串行連接）。依照以上描述的試驗內(nèi)容，繪制表格和曲線如圖4、圖5。

6 結(jié)論

本文從LED的發(fā)光原理分析開始，介紹電光轉(zhuǎn)換中熱量的不可避免，同時介紹了當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的直接式結(jié)溫測量方法了以及它在產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用中的一些缺陷，隨后本文詳細(xì)的闡述了關(guān)鍵物理量之間的關(guān)系，并提出了結(jié)合實際產(chǎn)品的試驗方法，數(shù)據(jù)表明，本方法在LED的應(yīng)用產(chǎn)品中是有效的。

[1]Jason Chonko, Using Forward voltage to measure semiconductor junction temperature.Keithley instrument, Inc, 2005

[2]李炳乾,布良基，甘雄文，范廣涵， LED正向壓降隨溫度的變化關(guān)系研究.光子學(xué)報 Vol.32, 2003