CN103926517B - 功率型led热阻的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率型LED的热阻测试装置，包括功率型LED、加热冷却单元、电源/测量单元、温度控制单元、光学参数测量单元和计算机；计算机用于控制电源/测量单元向功率型LED输出不同电流并测量对应的电功率；计算机通过控制温度控制单元控制加热冷却单元产生不同的温度值；光学参数测试单元用于采集功率型LED光学参数，并将该光学参数传输给计算机由计算机完成分析计算；电源/测量单元与加热冷却单元连接，用于配合计算机控制加热冷却单元产生不同的温度值。本发明采用一种新的测试功率型LED热阻方法，该方法通过获取效率‑结温系数k_e，热功率与电功率转换系数k_h，以及LED外部散热器热阻R_hs来得到LED的热阻值，降低了测试成本，操作简单。

Description

功率型LED热阻的测试装置及方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，具体涉及一种测试功率型LED热阻的测试方法。

背景技术

功率型LED是半导体照明领域的核心器件，然而在LED正常工作中，有70％以上的电能转化为热能，使得LED芯片结温显著升高，严重影响LED的光电性能，造成光输出衰减、寿命减少、可靠性降低等。因此需要对功率型LED热阻等热特性参数进行准确快速的测试，为LED封装和热沉设计提供设计参数并进行有效的热管理。

目前国内外测量LED热学特性的方法主要有红外热成像法、光谱法、光功率法、管脚温度法和电学参数法。电学参数法是基于LED两端正向压降与结温呈线性关系，通过快速切换测量电流与加热电流时测量端电压的变化得到结温，进一步计算得到LED热阻。该方法不需要破坏LED封装结构，且测量精度高、速度快，是目前国际上通用的标准方法。但主要缺点是电流转换过程中热量损失造成热阻测试误差较大，另外检测PN结上正向电压的变化需要非常高精度的数据采集仪器，难以降低研发成本。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种新的测试功率型LED热阻的方法及装置，采用该方法和装置能有效降低功率型LED热阻测试的***成本，且操作简单，具有一定的工程应用价值。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，功率型LED的热阻测试装置，包括功率型LED、加热冷却单元、电源/测量单元、温度控制单元、光学参数测量单元和计算机；

所述计算机用于控制电源/测量单元向功率型LED输出不同的电流并测量对应的电功率；

所述计算机通过控制温度控制单元控制加热冷却单元产生不同的温度值；

所述光学参数测试单元用于采集功率型LED的光学参数，并将该光学参数传输给计算机由计算机完成分析计算；

所述电源/测量单元与加热冷却单元连接，用于配合计算机控制加热冷却单元产生不同的温度值。

进一步，所述加热冷却单元包括依次连接的热沉、半导体热电制冷片和散热器；所述功率型LED设置在热沉上，所述半导体热电制冷片与温度控制单元连接。

进一步，所述光学参数测试单元为集光型参数测试单元，所述集光型光学参数测试单元包括集光装置和光探装置，所述功率型LED设置在集光装置的入光口处，所述光探测装置设置在集光装置的收光口处；所述集光装置为积分球，所述光探测装置为光度探头或辐射探头。

进一步，所述光学参数测试单元为非集光型参数测试单元，所述非集光型参数测试单元包括光探测装置，所述光探测装置设置在功率型LED光轴上；所述光探测装置为光度探头或辐射探头。

功率型LED的热阻测试方法，测量功率型LED光学参数对电功率变化关系，其中光学参数为总光通量、部分光通量、光照度、光功率、轴向光功率、轴向光照度、相对辐射强度等参数中的任何一个，并对光学参数-电功率曲线进行最小二乘非线性拟合，得到光学参数极值处的电功率；功率型LED热阻与极值处电功率的函数关系式为式(1)，进一步得到k_e、k_h和R_hs三个参数的值，即可得到功率型LED热阻R_jc；

$R_{\mathrm{jc}}=-\frac{1}{2k_e{k}_h{P}_{d\max }}-R_{\mathrm{hs}}---\left(1\right)$

式(1)中，P_dmax为光学参数极值时对应的电功率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻且已知。

进一步，获得P_dmax的方法包括以下子步骤：

S61：计算机控制电源/测量单元向功率型LED输出不同的电流，利用电源/测量单元测得不同注入电流下电功率P_d；同时利用光学参数测量单元测得光学参数P_O，得到两者之间的关系曲线P_O-P_d；

S62：光学参数P_O与电功率P_d符合式(2)关系：

P_O＝E_p0[P_d+k_ek_h(R_jc+R_hs)P_d ²] (2)

当光学参数P_O极值时，电功率P_dmax可表述为式(3)：

$P_{d\max }=-\frac{1}{2k_e{k}_h(R_{\mathrm{jc}}+R_{\mathrm{hs}})}---\left(3\right)$

其中E_p0为环境温度为T₀时的光参数-电功率效率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻；

S63：根据式(2)，对P_O-P_d关系曲线进行最小二乘非线性拟合，得到光学参数极值处的电功率P_dmax。

进一步，获得k_h的方法包括以下子步骤：

S71：计算机控制电源/测量单元向功率型LED输出额定工作电流，利用电源/测量单元测得额定电流下电功率P_d；利用光学参数测量单元测得光功率P_L，利用公式(4)得到热功率与电功率的转换系数k_h；

$k_h=\frac{P_d-P_L}{P_d}---\left(4\right)$

进一步，获取k_e的方法包括以下子步骤：

S81：计算机控制电源/测量单元向功率型LED输出合适的工作电流，使得LED能点亮但是不产生明显的热效应；利用温度控制单元控制加热冷却单元产生不同的温度值；利用电源/测量单元测量不同温度下电功率P_d；同时利用光学参数测量单元测得光学参数值P_O，计算得到光参数-电功率效率E与结温T_j的关系曲线E-T_j；

S82：采用最小二乘原理对E-T_j曲线数据进行线性拟合，得到效率与结温的系数值k_e；

E＝E_p0[1+k_e(T_j-T₀)] (5)

其中E为光参数-电功率效率，E_p0为环境温度为T₀时的光参数-电功率效率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:

1、运用常规的测量数据进行分析，方法简单且可操作性强，数据结果可信度高。

2、不需要高精度的专门的数据采集仪器，只需要常规的光电测量设备，因此所需测试成本低，非常适合于企业的工程应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为测试装置原理框图；

图2为光通量-电功率以及光效-结温测试原理图；

图3为光通量随电功率变化曲线以及拟合曲线图；

图4为光效与结温变化曲线以及拟合曲线图；

其中，1、功率型LED；2、热沉；3、半导体热电制冷片；4、散热器；5、加热冷却单元；6、电源/测量单元；7、温度控制单元；8、积分球；9、光度探头或者辐射探头；10、光学参数测量单元；11、计算机。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，功率型LED的热阻测试装置，包括功率型LED1、加热冷却单元5、电源/测量单元6、温度控制单元7、光学参数测量单元10和计算机11；

所述计算机用于控制电源/测量单元向功率型LED输出不同的电流并测量对应的电功率；

所述计算机通过控制温度控制单元控制加热冷却单元产生不同的温度值；

所述光学参数测试单元用于采集功率型LED的光学参数，并将该光学参数传输给计算机由计算机完成分析计算；其中光学参数包括总光通量、部分光通量、光照度、光功率、轴向光功率、轴向光照度、相对辐射强度等，在本实施例中光学参数测试单元10用于采集功率型LED的总光通量。

所述电源/测量单元与加热冷却单元连接，用于配合计算机控制加热冷却单元产生不同的温度值。

所述加热冷却单元包括依次连接的热沉2、半导体热电制冷片3和散热器4；所述功率型LED1设置在热沉上，所述半导体热电制冷片与温度控制单元连接。

本实施例中光参数测试单元为集光型参数测试单元，本实施例中，采用积分球8作为集光装置，采用光度探头9(或辐射探头)作为光探装置，功率型LED设置在积分球的入光口处，光度探头(或辐射探头)设置在积分球的收光口处。

当然采用非集光型光学参数测试单元也能实现对功率型LED光学参数的采集，当采集非集光型光学参数测试的时候，只需将光度探头9(或辐射探头)设置在功率型LED光轴上。

使用上述测试装置进行功率型LED热阻进行测试的方法，测量功率型LED光学参数对电功率变化关系，光学参数P_O选取为总光通量Φ_v，并对总光通量-电功率曲线进行最小二乘非线性拟合，得到总光通量极值处的电功率。功率型LED热阻与极值处电功率的函数关系式为式(1)，进一步得到k_e、k_h和R_hs三个参数的值，即可得到功率型LED热阻R_jc；

$R_{\mathrm{jc}}=-\frac{1}{2k_e{k}_h{P}_{d\max }}-R_{\mathrm{hs}}---\left(1\right)$

式(1)中，P_dmax为光学参数极值时对应的电功率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻且已知。

获得P_dmax的方法包括以下子步骤：

计算机11控制电源/测量单元(SMU)6向功率型LED输出不同的电流，利用SMU测得不同注入电流下电功率P_d；同时利用光学参数测量单元测得总光通量Φ_v，得到两者之间的关系曲线Φ_v-P_d。

光通量Φ_v与电功率P_d满足式(2)函数关系。

Φ_v＝E_p0[P_d+k_ek_h(R_jc+R_hs)P_d ²] (2)

当总光通量Φ_v极值时，电功率P_dmax可表述为式(3)。

$P_{d\max }=-\frac{1}{2k_e{k}_h(R_{\mathrm{jc}}+R_{\mathrm{hs}})}---\left(3\right)$

其中E_p0为环境温度为T₀时的总光通量-电功率效率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻。

根据式(2)，对Φ_v-P_d关系曲线进行最小二乘非线性拟合，得到总光通量极值处的电功率P_dmax，其光通量随电功率变化曲线如图3所示。

获得k_h的方法包括以下子步骤：

计算机11控制电源/测量单元(SMU)6向功率型LED输出额定工作电流，利用SMU测得额定电流下电功率P_d；将光度探头替换为辐射探头，测得光功率P_L，利用公式(4)得到热功率与电功率的转换系数k_h。

$k_h=\frac{P_d-P_L}{P_d}---\left(4\right)$

获取k_e的方法包括以下子步骤：

计算机11控制电源/测量单元(SMU)6向功率型LED输出5mA工作电流。利用温度控制单元7控制加热冷却单元5产生40℃、50℃、60℃、70℃、80℃等不同温度值。利用SMU测量不同温度下电功率P_d；同时利用光学参数测量单元测得总光通量Φ_v，计算得到总光通量Φ_v-电功率效率E(总光通量/电功率)与结温T_j的关系曲线E-T_j。

采用最小二乘原理对E-T_j曲线数据进行线性拟合，得到效率与结温的系数值k_e。

E＝E_p0[1+k_e(T_j-T₀)] (5)

其光效与结温变化曲线如图4所示。

利用式(3)得到功率型LED热阻为式(6)，将R_hs、k_h、k_e代入，可计算得到热阻值。本例中，测得的功率型LED热阻值为9.2(℃/W)，标称热阻值为8(℃/W)。

$R_{\mathrm{jc}}=-\frac{1}{2k_e{k}_h{P}_{d\max }}-R_{\mathrm{hs}}---\left(6\right)$

本发明采用一种新的测试功率型LED热阻的方法，该方法通过获取效率-结温系数k_e，热功率与电功率的转换系数k_h，以及为LED外部散热器的热阻R_hs来得到功率型LED的热阻值，降低了测试***成本，且操作简单，具有一定的工程应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种功率型LED的热阻测试装置，其特征在于：包括功率型LED、加热冷却单元、电源/测量单元、温度控制单元、光学参数测试单元和计算机；

所述计算机用于控制电源/测量单元向功率型LED输出不同的电流并测量对应的电功率；

所述计算机通过控制温度控制单元控制加热冷却单元产生不同的温度值；

所述光学参数测试单元用于采集功率型LED的光学参数，并将该光学参数传输给计算机由计算机完成分析计算，

计算机测量功率型LED光学参数对电功率变化关系，其中光学参数为总光通量、部分光通量、光照度、光功率、轴向光功率、轴向光照度、相对辐射强度参数中的任何一个，并对光学参数-电功率曲线进行最小二乘非线性拟合，得到光学参数极值处的电功率；功率型LED热阻与极值处电功率的函数关系式为式(1)，进一步得到k_e、k_h和R_hs三个参数的值，即可得到功率型LED热阻R_jc；

$R_{jc}=-\frac{1}{2k_e{k}_h{P}_{dmax}}-R_{hs}---\left(1\right)$

式(1)中，P_dmax为光学参数极值时对应的电功率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻且已知；

所述电源/测量单元与加热冷却单元连接，用于配合计算机控制加热冷却单元产生不同的温度值。

2.根据权利要求1所述的功率型LED的热阻测试装置，其特征在于：所述加热冷却单元包括依次连接的热沉、半导体热电制冷片和散热器；所述功率型LED设置在热沉上，所述半导体热电制冷片与温度控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的功率型LED的热阻测试装置，其特征在于：所述光学参数测试单元为集光型参数测试单元，所述集光型参数测试单元包括集光装置和光探测装置，所述功率型LED设置在集光装置的入光口处，所述光探测装置设置在集光装置的收光口处；所述集光装置为积分球，所述光探测装置为光度探头或辐射探头。

4.根据权利要求1所述的功率型LED的热阻测试装置，其特征在于：所述光学参数测试单元为非集光型参数测试单元，所述非集光型参数测试单元包括光探测装置，所述光探测装置设置在功率型LED光轴上；所述光探测装置为光度探头或辐射探头。

5.一种功率型LED的热阻测试方法，其特征在于：测量功率型LED光学参数对电功率变化关系，其中光学参数为总光通量、部分光通量、光照度、光功率、轴向光功率、轴向光照度、相对辐射强度参数中的任何一个，并对光学参数-电功率曲线进行最小二乘非线性拟合，得到光学参数极值处的电功率；功率型LED热阻与极值处电功率的函数关系式为式(1)，进一步得到k_e、k_h和R_hs三个参数的值，即可得到功率型LED热阻R_jc；

$R_{jc}=-\frac{1}{2k_e{k}_h{P}_{dmax}}-R_{hs}---\left(1\right)$

式(1)中，P_dmax为光学参数极值时对应的电功率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻且已知。

6.根据权利要求5所述的功率型LED的热阻测试方法，其特征在于：获得P_dmax的方法包括以下子步骤：

S61：计算机控制电源/测量单元向功率型LED输出不同的电流，利用电源/测量单元测得不同注入电流下电功率P_d；同时利用光学参数测试单元测得光学参数P_O，得到两者之间的关系曲线P_O-P_d；

S62：光学参数P_O与电功率P_d符合式(2)关系：

P_O＝E_p0[P_d+k_ek_h(R_jc+R_hs)P_d ²] (2)

当光学参数P_O极值时，电功率P_dmax可表述为式(3)：

$P_{d\max }=-\frac{1}{2k_e{k}_h(R_{jc}+R_{hs})}---\left(3\right)$

其中E_p0为环境温度为T₀时的光参数-电功率效率，k_e为效率-结温系数，k_h为热功率与电功率的转换系数，R_jc为功率型LED的热阻，R_hs为LED外部散热器的热阻；

S63：根据式(2)，对P_O-P_d关系曲线进行最小二乘非线性拟合，得到光学参数极值处的电功率P_dmax。

7.根据权利要求6所述的功率型LED的热阻测试方法，其特征在于：获得k_h的方法包括以下子步骤：

S71：计算机控制电源/测量单元向功率型LED输出额定工作电流，利用电源/测量单元测得额定电流下电功率P_d；利用光学参数测试单元测得光功率P_L，利用公式(4)得到热功率与电功率的转换系数k_h；

$k_h=\frac{P_d-P_L}{P_d}---\left(4\right).$

8.根据权利要求6所述的功率型LED的热阻测试方法，其特征在于：获取k_e的方法包括以下子步骤：

S81：计算机控制电源/测量单元向功率型LED输出合适的工作电流，使得功率型LED能点亮但是不产生明显的热效应；利用温度控制单元控制加热冷却单元产生不同的温度值；利用电源/测量单元测量不同温度下电功率P_d；同时利用光学参数测试单元测得光学参数P_O，计算得到光参数-电功率效率E与结温T_j的关系曲线E-T_j；

S82：采用最小二乘原理对E-T_j曲线数据进行线性拟合，得到效率-结温系数k_e；

E＝E_p0[1+k_e(T_j-T₀)] (5)

其中E为光参数-电功率效率，E_p0为环境温度为T₀时的光参数-电功率效率。