CN105784185A - 一种根据光谱分布的变化测算led结温的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置及其方法，装置包括直流电源、恒温器、积分球和光谱分析仪,恒温器上设置有LED基座,LED基座上设置有积分球,积分球外有光谱分析仪和电脑，光谱分析仪的信号传输端与电脑相连，光谱分析仪的探头透过积分球到达内壁，直流电源与LED光源相连，积分球上设有一孔，LED光源穿过积分球上的孔到达积分球内，直流电源与电脑相连，LED光源安置在LED基座上。方法步骤包括：结温标尺向量的测量、基准曲线的测量、待测结温的测量。本发明仅需常规的光谱仪和电源，实施容易。质心波长和半高全宽容易准确测量，且重复性高，因此，用于表征结温误差小。

Description

一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置及其方法

技术领域

本发明涉及LED光电检测装置及其方法，特别是一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置及其方法。

背景技术

LED(LightEmittingDiode)自身的光、电、色和寿命等特性与结温的高低密切相关。高结温会使得LED的性能恶化甚至失效，保持合适的结温有利于LED性能的优化。因此如何快速、科学、方便的测量LED结温就成为了问题的突破口。

已经报道的LED结温测量方法有正向电压法(EIA/JEDECstandardJESD51-1,中国标准200910198965.5，中国专利200920212653.0，200910198965.5)、热阻法(标准SJ/T11394-2009)，【通过测量LED管脚温度和芯片散热的热功率，以及热阻系数来确定结温，测量中需要结合正向电压法来确定热阻系数。】峰值波长法[ThirdInternationalConferenceonSolidStateLighting,ProceedingsofSPIE2010.5187:93-99]，谷值波长法[光谱学与光谱分析,2013,33(1):36-39]、辐射强度法[光电子·激光,2009,20(8):1053-1057]、蓝白比法[Thirdinternationalconferenceonsolidstatelighting,proceedingsofSPIE2010.5187:107-114]。液晶阵列热成像法[Phys.Stat.Sol(c)1(2004)2429],微拉曼谱法[Phys.Status.Solidi,A202(2005)824],发光光谱法[Appl.Phys.Lett.89(2006)101114]，中心波长法(MicroelectronicsReliability,2013,53(5):701-705)和质心波长法(CN201410268725)。

然而，这些方法测量GaN基LED结温仍然存在诸多不足，如由于其灯具外壳材料等的限制，一般很难实现符个LED引脚上的压降测量，正向电压法难以使用，峰值波长法，质心波长法和谷值波长法需要准确测量峰值或谷值，更不利的是，GaN基LED的峰值波长与结温的关系并不单调。蓝白比法只能用于荧光粉转换型白色LED结温，辐射强度法对测量环境和条件要求比较高，液晶阵列热成像法、微拉曼谱法、发光光谱法等对测试仪器的精度要求高，相关设备比较昂贵。

在电流变化不大的情况下，GaN基LED光谱分布的宽度和质心波长随结温的增大而单调增大，因此，可以使用半高全宽来表征结温，也可以使用加权半高全宽表征GaN基LED结温，见专利CN201410268532。但是当电流变化较大时，半高全宽或加权半高全宽与结温的变化关系并不单调，因此表征结温的误差较大。

质心波长联合光谱宽度也可以用来表征LED的结温，且不需要接触LED管脚，见专利(CN201510192171)。但是该方法需要计算5个系数，研究表明，这些系数有一定波动，并非恒量，因此，测试结果精度不高。

光电子·激光2015年11月出版的文章《采用双光谱参数表征GaN基蓝色LED的结温》，通过构建不考虑脉冲电流(2mA脉宽)热效应的质心波长、半高全宽、结温和电流四者之间的关系图，然后利用该图得到不考虑脉冲电流加热效应的结温，最后用脉冲电流对同一类型LED热效应的平均值，来补偿脉冲电流热效应。这种方法的缺点在于：其脉冲热效应采用平均值，并非实际LED的值。LED厂商很多，工艺水平参差不齐，实际热效应与平均值差距较大，因而精度有限。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种准确可靠、方便简洁的根据光谱分布的变化测算LED结温的装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置，包括直流电源、恒温器、积分球和光谱分析仪,其特征在于所述恒温器上设置有LED基座,所述LED基座上设置有积分球,所述积分球外有光谱分析仪和电脑,所述光谱分析仪的信号传输端与电脑相连，所述光谱分析仪的探头透过积分球到达内壁，所述直流电源与LED光源相连，所述积分球上设有一孔，所述LED光源穿过积分球上的孔到达积分球内，所述直流电源与电脑相连，所述LED光源安置在LED基座上。

所述直流电源用于LED提供稳定的脉冲宽度可调的恒流电源，最小脉冲宽度10ms，误差小于实际脉冲宽度的5％。

一种根据光谱分布的变化测算LED结温的方法，步骤包括：

a)结温标尺向量的测量：

a1)将待测LED样品安装在温控台上，保存良好的热接触；

a2)设定温控温度为T1，保持一段时间，使得LED与LED基座之间达到热平衡；

a3)测量电流为10mA、20mA、30mA…，一直到额定电流时,热稳定后LED的光谱分布，画出质心波长为横轴，半高全宽为纵轴的曲线；

a4)改变温控温度为其他温度Ti(i＝2.3,…)，重复步骤a3)，得到了一组曲线；Ti的最大值和最小值相差不小于50℃.

a5)将不同的温控温度下，同一电流对应的质心波长-半高全宽的坐标点拟合线相连，得到的向量为标尺，两质心波长-半高全宽曲线之间标尺的长度表示结温的差值。这样也可以得到一组向量标尺。

b基准结温曲线的测量：

b1)将待测LED样品安装在温控台上，保存良好的热接触；

b2)设定温控温度为t，保持一段时间，使得LED与基座之间达到热平衡；

b3)测量脉宽分别分别为10ms、20ms和30ms,驱动电流从20mA到额定电流，间隔20mA时LED的光谱分布，计算质心波长和半高全宽，画出质心波长为横轴，半高全宽为纵轴的曲线；

b4)结温随脉宽的增加而线性增加，质心播波长和半高全宽也成线性变化，在同一电流驱动下，由10ms、20ms、30ms,40ms的LED光谱分布的质心波长和半高全宽，可以反推出0时刻的质心波长和半高全宽：

b5)0时刻对应的结温为环境温度t，质心波长-半高全宽曲线为基准曲线。

c)待测结温的测量：

在实际点灯条件下，测量LED的光谱分布，得到质心波长和半高全宽，质心波长的值作为横坐标、半高全宽的值作为纵坐标画出一个点(定义为D点)，在a)得到的向量标尺中，总有一条向量标尺的延伸线最接近该点。过D点平行该向量标尺与0基准线相交，该线段的长度表征结温大小。其准确值的计算方法是，线段长度与标尺长度相比，再乘以标尺长度对应的温控温度差值，加上0基准线对应的温控温度。

相比于现有技术，本发明的优点在于：1、对LED结温实施的是非接触式测量。2、仅需常规的光谱仪和电源，实施容易。3、质心波长和半高全宽容易准确测量，测量的可重复性高，用于表征结温误差小。4、可以用于单颗LED结温测量，也可以用于多颗GaN基LED组成的阵列的平均结温测量，使用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为LED的等环境温度簇曲线图。

图4为不同脉冲宽度下LED半高全宽-质心波长曲线图。

图5为结温测算示意图。

图中：1、直流电源2、恒温器3、积分球4、LED基座5、光谱分析仪6、电脑7、LED光源。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置，包括直流电源1、恒温器2、积分球3和光谱分析仪5，所述恒温器2上设置有LED基座4，所述LED基座4上设置有积分球3，所述积分球3外有光谱分析仪5和电脑6，所述光谱分析仪5的信号传输端与电脑6相连，所述光谱分析仪5的探头透过积分球3到达内壁，所述直流电源1与LED光源7相连，所述积分球3上设有一孔，所述LED光源7穿过积分球3上的孔到达积分球3内，所述直流电源1与电脑6相连，所述LED光源7安置在LED基座4上。

所述直流电源1用于LED提供稳定的脉冲宽度从可调的恒流电源，最小脉冲宽度10ms，误差小于实际脉冲宽度的5％。

本专利的质心波长定义：

式中，λ₁,λ₂是LED光谱分布的上、下限波长，对于可见光LED，一般取380nm和780nm。

半高全宽Δλ_0.5定义为光谱功率分布为峰值高度之一半对应的波长之差，公式如下：Δλ_0.5＝λ_up-λ_down，式中，λ_up,λ_down分别是光谱为峰值一半对应的较大和较小的波长。

LED的光谱分布、驱动电流和结温具有内在的联系，可以写成：F(I,T_j,FWHM,λ_c)＝0，式中，只有两个参数是独立的，例如，驱动电流和结温确定了，LED的光谱分布自然是唯一的，半高全宽和质心波长也随之成唯一的。但是对于四者之间的关系式，不同文献各不相同，例如，专利[CN201510192171]给出了它给出的关系是：

式中，K为质心波长-结温系数，σ₀,σ₁和I₀是与质心波长λ_c有关的系数；同理，K′为半高全宽-结温系数，σ′₀，σ′₁和I′₀是与半高全宽Δλ_0.5有关的系数,T₀为环境温度。

可以确定的是，无论四者的关系式是何表达形式，四个变量中只有两个是独立的。我们可以测量出四者关系的曲线，根据该曲线就可以得到结温。

如图2所示，一种根据光谱分布的变化测算LED结温的方法，步骤包括：

b)结温标尺向量的测量：

a1)将待测LED样品安装在温控台上，保存良好的热接触；

a2)设定温控温度为T1，保持一段时间，使得LED与LED基座之间达到热平衡；

a3)测量电流为10mA、20mA、30mA…，一直到额定电流时,热稳定后LED的光谱分布，画出质心波长为横轴，半高全宽为纵轴的曲线；

a4)改变温控温度为其他温度Ti(i＝2.3,…)，重复步骤a3)，得到了一组曲线；Ti的最大值和最小值相差不小于50℃.

a5)将不同的温控温度下，同一电流对应的质心波长-半高全宽的坐标点拟合线相连，得到的向量为标尺，两质心波长-半高全宽曲线之间标尺的长度表示结温的差值。这样也可以得到一组向量标尺。

b基准结温曲线的测量：

b1)将待测LED样品安装在温控台上，保存良好的热接触；

b2)设定温控温度为t(t＝25℃)，保持一段时间，使得LED与基座之间达到热平衡；

b3)测量脉宽分别分别为10ms、20ms和30ms,驱动电流从20mA到额定电流，间隔20mA时LED的光谱分布，计算质心波长和半高全宽，画出质心波长为横轴，半高全宽为纵轴的曲线；

b4)在数十毫秒时间内，结温随脉宽的增加而线性增加，质心播波长和半高全宽也成线性变化。因此，在同一电流驱动下，由10ms、20ms、30ms,40ms的LED光谱分布的质心波长和半高全宽，可以反推出0时刻的质心波长和半高全宽：

b5)0时刻对应的结温为环境温度t(t＝25℃)，其质心波长-半高全宽曲线为基准曲线。

c)待测结温的测量：

在实际点灯条件下，测量LED的光谱分布，得到质心波长和半高全宽，质心波长的值作为横坐标、半高全宽的值作为纵坐标画出一个点(定义为D点)，在a)得到的向量标尺中，总有一条向量标尺的延伸线最接近该点。过D点平行该向量标尺与0基准线相交，该线段的长度表征结温大小。其准确值的计算方法是，线段长度与标尺长度相比，再乘以标尺长度对应的温控温度差值，加上0基准线对应的温控温度。(此图对应96℃)。

Claims (3)

1.一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置，包括直流电源、恒温器、积分球和光谱分析仪,其特征在于所述恒温器上设置有LED基座,所述LED基座上设置有积分球,所述积分球外有光谱分析仪和电脑，所述光谱分析仪的信号传输端与电脑相连，所述光谱分析仪的探头透过积分球到达内壁，所述直流电源与LED光源相连，所述积分球上设有一孔，所述LED光源穿过积分球上的孔到达积分球内，所述直流电源与电脑相连，所述LED光源安置在LED基座上。

2.根据权利要求1所述的一种根据光谱分布的变化测算LED结温的装置，其特征在于所述直流电源用于LED提供稳定的脉冲宽度可调的恒流电源，最小脉冲宽度10ms，误差小于实际脉冲宽度的5％。

3.一种根据光谱分布的变化测算LED结温的方法，步骤包括：

a)结温标尺向量的测量：

a1)将待测LED样品安装在温控台上，保存良好的热接触；

a2)设定温控温度为T1，保持一段时间，使得LED与LED基座之间达到热平衡；

a3)测量电流为10mA、20mA、30mA…，一直到额定电流时,热稳定后LED的光谱分布，画出质心波长为横轴，半高全宽为纵轴的曲线；

a4)改变温控温度为其他温度Ti(i＝2.3,…)，重复步骤a3)，得到了一组曲线；Ti的最大值和最小值相差不小于50℃.

a5)将不同的温控温度下，同一电流对应的质心波长-半高全宽的坐标点拟合线相连，两质心波长-半高全宽曲线之间，标尺的长度表示结温的差值，它等于温控的温度差，这样可以得到一组针对待测LED样品的向量标尺。

b基准结温曲线的测量：

b1)将待测LED样品安装在温控台上，保存良好的热接触；

b2)设定温控温度为t，保持一段时间，使得LED与基座之间达到热平衡；

b3)测量脉宽分别分别为10ms、20ms和30ms,驱动电流从20mA到额定电流，间隔20mA时LED的光谱分布，计算质心波长和半高全宽，画出质心波长为横轴，半高全宽为纵轴的曲线；

b4)结温随脉宽的增加而线性增加，质心播波长和半高全宽也成线性变化，在同一电流驱动下，由10ms、20ms、30ms,40ms的LED光谱分布的质心波长和半高全宽，可以反推出0时刻的质心波长和半高全宽：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_c(0,i)={\mathrm{\λ}}_c(10,i)-\frac{1}{2}\{{\mathrm{\λ}}_c(30,i)-{\mathrm{\λ}}_c(20,i)+\frac{1}{2}\[{\mathrm{\λ}}_c(30,i)-{\mathrm{\λ}}_c(10,i)\]\}\\ FWHM(0,i)=FWHM(10,i)-\frac{1}{2}\{FWHM(30,i)-FWHM(20,i)+\frac{1}{2}\[FWHM(30,i)-FWHM(10,i)\]\}\end{array}\right.;$

b5)0时刻对应的结温为温控温度t，对应的质心波长-半高全宽曲线为结温为t的基准曲线。

c)待测结温的测量：

在实际点灯条件下，测量LED的光谱分布，得到质心波长和半高全宽，质心波长的值作为横坐标、半高全宽的值作为纵坐标画出一个点(定义为D点)，在a)得到的向量标尺中，总有一条向量标尺的延伸线最接近该点。过D点平行该向量标尺与0基准线相交，该线段的长度表征结温大小。其准确值的计算方法是，线段长度与标尺长度相比，再乘以标尺长度对应的温控温度差值，加上0基准线对应的温控温度。