LED燈具檢測(cè)及改善

文章介紹了通過Vf-TJ 曲線的標(biāo)出并控制LED 在控定的結(jié)溫下測(cè)量其光、色、電參數(shù)不僅對(duì)采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結(jié)溫提供了目標(biāo)限位，同時(shí)也使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的測(cè)量參數(shù)更接近于實(shí)際的應(yīng)用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測(cè)量LED 的結(jié)溫并確定LED 參考點(diǎn)的限值溫度與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。這對(duì)快速評(píng)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(gè)有效的途徑。

一、 序言

對(duì)于一個(gè)新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法。雖然產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法不可能先于產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法應(yīng)盡可能地緊跟產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的進(jìn)度，因?yàn)楫a(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的制定過程本身就是對(duì)產(chǎn)品研發(fā)過程的回顧研討和小結(jié)，只要條件基本成熟，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的制訂越及時(shí)，就越能減少產(chǎn)品研發(fā)過程的盲目性。LED 照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在，我們對(duì)LED 照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的回顧、小結(jié)的時(shí)候已經(jīng)基本到來。

二、 LED 模塊的光電參數(shù)和檢測(cè)方法的現(xiàn)狀和改進(jìn)方法

1、傳統(tǒng)的LED 模塊的檢測(cè)方法

目前傳統(tǒng)的 LED 模塊的檢測(cè)方法主要有兩種，第一種是采用脈沖測(cè)量的方法，它是把照明LED 模塊固定在測(cè)量裝置上(例如積分球的測(cè)量位置等)，采用脈沖恒流電源與瞬時(shí)測(cè)量光譜儀的同步聯(lián)動(dòng)，即對(duì)LED 發(fā)出數(shù)十毫秒～數(shù)佰毫秒恒流的脈沖電流的同時(shí)，同步打開瞬時(shí)測(cè)量光譜儀器的快門，對(duì)LED 發(fā)出的光參數(shù)(光通量、光色參數(shù)等)進(jìn)行快速檢測(cè)，同時(shí)，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(cè)過程中，LED 的結(jié)溫幾乎等同于室溫，所以，測(cè)量結(jié)果的光效高，光色和電參數(shù)與實(shí)際使用情況有明顯差異，這一般都是LED 芯片(器件)生產(chǎn)商采用的快速檢測(cè)方法，而與LED 實(shí)際應(yīng)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(cè)方法是把LED模塊安裝在檢測(cè)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(cè)方法的影響，也是等到LED達(dá)到熱平衡后再開始測(cè)量它的光電參數(shù)。這種方法看似比較嚴(yán)密，但實(shí)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(guān)聯(lián)性，因此所測(cè)的光電參數(shù)與今后實(shí)際的應(yīng)用狀態(tài)的參數(shù)仍不具有可參比性。已經(jīng)頒布的GB/T24824-2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模塊的基本性能的測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)中，在這方面是這樣規(guī)定的：’試驗(yàn)或測(cè)量時(shí)LED模塊應(yīng)工作在熱平衡狀態(tài)下，在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時(shí)，最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗(yàn)的可復(fù)現(xiàn)性。如可能監(jiān)測(cè)LED模塊結(jié)電壓，則應(yīng)首選監(jiān)測(cè)結(jié)電壓。否則，應(yīng)監(jiān)測(cè)LED模塊指定溫度測(cè)量點(diǎn)的溫度’。可見在監(jiān)測(cè)結(jié)電壓的條件下來測(cè)量LED 模塊的光電參數(shù)是保證檢測(cè)重現(xiàn)性的首選方案，但是，標(biāo)準(zhǔn)中沒有指明在模擬實(shí)際使用結(jié)溫條件下檢測(cè)LED 模塊的光、色、電參數(shù)。

2、LED 模塊測(cè)量方法的改進(jìn)

眾所周知，LED 的光、電參數(shù)特性與它的工作時(shí)的結(jié)溫密切相關(guān)，同一個(gè)LED 產(chǎn)品，結(jié)溫的不會(huì)造成這些參數(shù)的明顯不同，這也造成了同一個(gè)LED 光、色、電參數(shù)測(cè)量結(jié)果的明顯不一致性，所以測(cè)量LED 的光電參數(shù)首先應(yīng)考慮在設(shè)定的工作結(jié)溫的條件下來進(jìn)行。另外，LED 因?yàn)榉庋b的工藝、材料等差異，其聲稱的最高工作結(jié)溫是明顯不同的，為了保證LED 照明產(chǎn)品具有高效、長(zhǎng)壽的特點(diǎn)，LED 實(shí)際的工作結(jié)溫應(yīng)明顯低于最高工作結(jié)溫。例如，目前我們大量采用的LED 封裝方法和技術(shù)，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(shí)踐證明，要使此類LED 照明器具，到70%的光通維持率的時(shí)間要≥6 萬小時(shí)，其工作結(jié)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(jié)溫能保持在60℃以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價(jià)比來講，則應(yīng)該控制在能達(dá)到預(yù)期的光效和使用壽命的基礎(chǔ)上把LED的最高工作結(jié)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(cè)也盡可能接近于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)溫狀態(tài)，就必須解決如何測(cè)量LED的結(jié)溫并能在這一結(jié)溫下進(jìn)行光、色、電參數(shù)的檢測(cè)問題。

(1)目前LED 的結(jié)溫測(cè)量方法大概有

1)通過測(cè)量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數(shù)求得結(jié)溫。但是因?yàn)楹纳⒐β屎蜔嶙柘禂?shù)的不準(zhǔn)確，所以測(cè)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(cè)量LED 芯片的溫度，但要求被測(cè)器件處于未封裝的狀態(tài)，另外對(duì)LED 封裝材料折射率有特殊要求，否則無法準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量精度比較低。

3)利用發(fā)光光譜峰位移測(cè)定結(jié)溫，也是一種非接觸的測(cè)量方法，直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動(dòng)技術(shù)來測(cè)量結(jié)溫，這一方法對(duì)光譜測(cè)試儀器分辨精度要求較高，發(fā)光峰位的精度測(cè)定難度較大，而光譜峰位移1 納米的誤差變化就對(duì)應(yīng)著測(cè)量結(jié)溫約30 度的變化，所以測(cè)量精度和重復(fù)性都比較低。

4)向列型液晶熱成像技術(shù)，對(duì)儀器分辨率要求高，只能測(cè)量未封裝的單個(gè)裸芯片，不能測(cè)量封裝后的LED。

5)利用二極管 PN 結(jié)電壓與結(jié)溫的Vf-TJ 關(guān)系曲線，來測(cè)量LED 的結(jié)溫。

從上述介紹的各種 LED 結(jié)溫的測(cè)量方法可看出，采用監(jiān)視二極管PN 結(jié)電壓的變化來推算結(jié)溫的方法最具有可行性并且測(cè)量精度也最高，所以在很多集成IC 電路中，為了檢測(cè)IC 芯片的工作結(jié)溫，往往會(huì)刻出或值入1 個(gè)或幾個(gè)二極管，通過測(cè)量其正向電壓降的變化來達(dá)到測(cè)量芯片結(jié)溫的目的。

(2)目前國(guó)際上較先進(jìn)的Vf-TJ 測(cè)量方法

目前國(guó)際上先進(jìn)的 Vf-TJ 測(cè)量方法是把被測(cè)的LED 連上引出線放入在硅油缸內(nèi)，隨后加熱硅油缸使硅油的溫度達(dá)到140℃左右，隨后讓缸內(nèi)硅油自然冷卻，只要冷卻時(shí)硅油溫度下降的速度足夠慢，就可以認(rèn)為L(zhǎng)ED 的結(jié)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(cè)的硅油溫度，每下降2℃～10℃時(shí)瞬時(shí)給LED 輸入規(guī)定的電流脈沖，并測(cè)量其在這一溫度下的正向電壓降，把這一測(cè)量點(diǎn)的溫度和正向電壓降導(dǎo)入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)，從140℃左右開始，隨溫度的下降，每下降一個(gè)設(shè)定的等分溫度測(cè)量一次熱沉溫度和正向電壓降，一直測(cè)量到25℃左右，當(dāng)完成這一組測(cè)量數(shù)據(jù)并導(dǎo)入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)后，由軟件產(chǎn)生一個(gè)Vf-TJ 曲線。這一方法屬于在溫度下降時(shí)測(cè)量方法，對(duì)于測(cè)量來說是可行的，但是因?yàn)樵囼?yàn)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(dāng)硅油缸的油溫較高時(shí)，因?yàn)榕c試驗(yàn)室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性采用了適當(dāng)?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時(shí)溫度下降不致于太快，但當(dāng)硅油缸溫度較低時(shí)，因?yàn)榕c室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢，這大大延長(zhǎng)了這一檢測(cè)過程的測(cè)量時(shí)間。因?yàn)樯鲜鲈?，這一溫度下降時(shí)的測(cè)量方法在標(biāo)定Vf-TJ 過程是不可能短的，(大約需4～5 小時(shí))，否則將產(chǎn)生明顯的測(cè)量誤差。另外，這種檢測(cè)裝置油缸是固定的，要測(cè)量第二組，時(shí)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(cè)量的溫度都存在明顯的滯后，這也造成這一方法測(cè)量結(jié)溫的準(zhǔn)確性比較差。