专利名称：发光二极管的输出通量测量的系统和方法
技术领域：
本发明涉及使用发光二极管(LED)的照明器件，具体涉及使用考虑LED性能的 反馈对这种器件的控制。
背景技术：
使用诸如LED之类的固态器件的照明正在迅猛发展。使用LED来照明与使用 传统光源相比具有若干优点，包括高效率(流明每瓦)、小形状因子以及耐久性。据报道 LED的平均寿命接近50000个小时，而白炽灯泡的平均寿命为2000个小时。因此，在更 换起来困难的照明器材(路灯、交通信号等)中和/或出于安全原因需要较高可靠性的器 材(汽车灯)中，LED是优选光源。尽管事实上LED具有长寿命，但是与许多其他光源一样，来自LED的光输出随 时间衰减(通过老化过程)。这最终导致LED失效。已经建议在LED的光输出级别为 其初始值的70%时必须进行更换。根据LED的工作条件，需要更换LED的时间变化极大。当前，根据固定时间 安排来更换包括LED的光源。这样，一些仍可工作的灯被丢弃。同样会发生的是，光 源在其下次安排的维护之前烧坏。显然，根据固定时间安排的维护对于照明器材尤其是 对于那些在很难到达的位置处以及注重安全性(或成本)的照明器材来说并不是最佳解决方案。已知希望通过将LED光输出通量与其初始值相比较来进行对LED器材的维护时 间安排，以及控制LED光输出和颜色(在不同颜色LED的群集的情况下)。传统上，通过诸如光电二极管之类的外部光传感器来监控和测量LED光输出。 该方法是鲁棒的但是具有几个缺点。首先，需要外部传感器以及至该传感器的引线。这 增加了系统的总成本。其次，如果LED照明系统包括多于一个LED，则需要多个传感器 或在传感器与LED之间的时间共享机构。在多个LED共享一个传感器的情况下，对传 感器的性能要求通常在速度、精度以及动态范围方面非常高。此外，连接至传感器的信号处理电路还必须具有高性能并因此具有较高成本。 使用外部光传感器来确定LED通量输出的量在理想照明条件下(即，在没有受到其他光 源干扰的情况下)是相当精确的。然而，在非理想照明条件下会出现不精确。最后，光 传感器的劣化以及传感器与LED之间的光路的劣化也会造成方法的不精确。因此，需要一种在无需使用光传感器的情况下估计LED的输出通量的方法。因 此，上述现有LED光输出监控/测量方法的大多数问题是可以克服的。
发明内容
根据本发明，提供了一种估计发光二极管的输出光通量的方法，包括在包括测试周期的时间段内对LED施加驱动电流波形；在测试周期期间监控LED上的正向电压；以及
根据正向电压的变化估计输出光通量。该方法利用LED的电特性，以便提供输出通量的估计。具体地，发现正向电压 对LED的电流应力进行响应的方式随着LED老化而不同。因此，对该电压的演变的测 量可以用于提供对输出通量变化的估计。本发明使得能够在任何时候估计光通量，而无需使用外部光传感器。这使得能 够利用在组件和引线数目方面不复杂的系统监控和控制LED性能，最终导致成本节省。该方法还可以包括确定老化之前的输出光通量，以及在根据正向电压的变化 估计输出光通量中使用所述老化之前的输出光通量。因此，考虑LED的初始特性，正向 电压监控提供了对LED特性变化的递增分析。优选地，确定在测试周期期间施加到LED的电功率，也在根据正向电压的变化 估计输出光通量中使用上述在测试周期期间施加到LED的电功率。驱动电路波形可以包括用于对LED施加电流应力的相对高的电流部分以及相对 低的测量电流部分，其中，在相对低的测量电流部分期间监控正向电压。该方法使用测量电路脉冲以便以低非零电流驱动LED。这允许在LED工作的同 时进行LED分析。低测量电流脉冲与高电流LED驱动脉冲(以方波脉冲序列的形式)交 替。在相对高的电流部分结束之后测量电流部分开始处测量正向电压，随后在测量 电流部分期间正向电压已经稳定时测量正向电压。在一个示例中，将估计的输出光通量确定为Φ^ = Φ 一.Zv-.0"
Iighf _ pristine\ 1 ^其中，Φ.是老化之后的输出通量，Opnstm6是老化前的输出通量，Pllght—ag6是提 供给老化之后的LED的、引起光输出而不是加热的功率，以及Pllghumst■是提供给老化之 前的LED的、引起光输出而不是加热功率，其中，根据以下等式获得Pllght—age :
AVf agePtighl = Pin age -Phea, prisiim 八 y/
一—“^Vf_pristwe(U)其中，Pm_age是总输入功率，Pteat—pnst■是提供给老化之前的LED的、引起加热而 不是光的功率，AVfage是老化之后在相对高的电流部分之前与之后测量的正向电压的差 值，以及ΔVfpnst■是老化之前在相对高的电流部分之前与之后测量的正向电压的差值。在该方法中，利用具有大于零的两个不同电流幅度的电流脉冲来驱动LED，并 且测量LED的正向电压随时间的响应。根据该数据，可以计算加热LED的功率量。使 用能量守恒定律，计算LED内转化成光的功率量(Pllght = Pm-Pheat)，从而计算LED的光 输出通量。例如，测量电流部分小于或等于1mA。驱动电流波形可以包括在相对高电流值 与相对低电流值之间切换的方波。保持低电流必要的时间长度，以使低电流处的前向压 降稳定。可以监控正向电压随时间的变化，以确定何时正向电压已经稳定。本发明还提供了一种用于估计发光二极管的结温度的系统，包括用于在包括测试周期的时间段内对LED施加驱动电流波形的装置；用于在测试周期期间监控LED上的正向电压的装置；以及
用于根据正向电压的变化估计输出光通量的装置。
根据附图描述本发明的示例，在附图中图1示出了响应于电流应力的LED正向电压的响应，以解释本发明的方法；图2A至2D是解释本发明的方法使用的结温度测量的方法的图；图3示出了用于估计本发明的输出光通量的系统；图4示出了一个参数如何随LED老化而保持恒定；图5示出了对电流应力的正向电压响应如何随老化而变化；图6示出了 LED所汲取的输入功率如何随老化而变化；图7示出了用于测试本发明的方法的系统；图8示出了用于测试本发明的方法的测试序列；以及图9示出了测试结果。
具体实施例方式本发明基于以下认识可以基于LED对电流脉冲的响应来确定LED的性能，具 体地，LED结温度的量由于电流脉冲而增加。该温度增加的效果可以根据LED性能的电 分析来确定，而无需外部传感器。具体地，本发明基于以下认识正向电压的分析使得 能够确定输出通量。该温度增加量与加热LED所需的功率量成比例。已知提供给LED的总输入功 率的情况下，基于能量守恒定律，可以计算LED内转化成光的功率量，该功率量与执行 测量时LED的光通量输出成比例。在LED的寿命期间的不同时刻，可以计算输出通量 及其与LED的初始值的关系。图1示出了电流脉冲1，以及用随时间的正向电压2表示的LED对电流脉冲的响 应。电流脉冲需要引起显著的温度上升，这种显著的温度上升取决于LED的大小以及连 接至LED的系统的热容。应力脉冲可以具有以秒为单位的持续时间，例如，1到30秒， 更优选地5到20秒。电流可以具有安培的量级，例如，0.5到10A。例如，可以使用IOs 持续时间的2.25A脉冲。左曲线示出了新LED的响应，而右曲线示出了老化LED的响应。老化的LED 响应于电流脉冲经历更大的正向电压上升，并且这反映了增加的加热。正向电压与LED 结加热之间的这种联系形成申请人最新设想的系统的基础，该系统用于测量LED的结温 度，无需专用传感器而可以使用LED的电特性。在WO 2009/095853 (在WO 2009/095854中有修改)中描述了结温度测量系统。首先概述该结温度测量系统，并且读者可以参考2009/095853以获得更详细的 内容。结温度测量系统提供了一种通过使用方波电流脉冲以良好精度测量LED的结温 度的方法(和装置)，在方波电流脉冲中，高电平(Ihlgh)是LED的工作电流，低电平是测 量电流。通过监控LED随时间的正向电压(Vf)，可以找到两个主导值(如果工作电流在 监控周期内为恒定)，其中的一个代表工作期间LED结的实际温度。可以使用前向压降的直方图来进行数据分析，或者可以采用单独测量。图2A至2D是示意性表示所述方法的图。图2A示出了施加给LED的驱动电流。脉冲式的电流源用于驱动LED。脉冲将 前向偏置电流驱动通过二极管，电流采用在高电流值与低电流值之间切换的方波形式。低电流值是测量电流，优选地，小于或等于1mA。更优选地，该电流小于 500 μ A，更优选地，小于100 μ Α，更优选地，小于50 μ Α，更加优选地，小于10 μ Α， 例如，在5μ A的范围内。期望低测量电流(例如，小于ImA)有两个主要原因。首先，如果以大电流驱动 LED,则自加热效应开始，这意味着获得较低精确测量。申请人已经发现，自加热效应 在ImA电流以上很显著。自加热效应取决于LED封装的热设计，因此针对不同的LED 设计而不同。其次，电流越大，LED越亮。在诸如2D调光TV之类的应用中，从背光发出 的最小亮度级不应高于最大照明水平的1%。该2D调光系统是背光控制方法，其中，仅 照亮背光的一部分，使得可以获得图像的亮区与暗区之间的改善的对比度。希望用于测量相位的低光输出意味着需要最低可能电流，但是需要该电流足 以使LED前向偏置，以便可以测量电压。当选择测量电流时考虑这些因素，值取决于LED的预期使用、封装的热特性以 及LED特性。图2B示出了获得的二极管上的前向偏置压降Vf。在WO 2009/095853中的一个示例中，以规则间隔对前向偏置压降进行采样，采 样时刻如图2B中实心圆所示。在每个采样时刻处测量电压，直方图计数器监控该LED电压Vf，并确定压降的
主导值。这可以通过创建如图2C所示的直方图来实现。如图所示，计数数目存在两个峰 值。与较高压降相对应的计数数目峰值来自驱动电流(如图IA中的常量所示)。与较 低压降相对应的计数数目峰值来自测量电流，并且该峰值表示低电流测量值处的前向偏 置压降。在WO 2009/095853中，通过将对应于测量电流的主导前向偏置压降与校准曲线 相关联，或者通过前向偏置电压Vf与温度T之间关系的分析模型，来确定LED结温度。 在图2D中示意性示出了这种关系。然后使用分析函数然后定义图2D所示的关系，从而 给出非常低的存储器需求。在WO 2009/095853中，这用于实现对LED光和颜色输出的 非常平滑的控制，以及所需驱动电流的模拟解决方案(而不是离散的解决方案)。LED的输出通量受电流驱动序列的高电流值以及脉冲频率和占空比的控制。然 而，在整个工作期间测量电流值不变。低电流(例如，小于ImA)处测量压降(从而测量温度)的优点在于在诸如针 对LCD面板的背光之类的一些应用中，使能实现调光操作，在调光操作中，需要对于光 输出变化以及亮与暗之间高对比度的需求的快速动态响应。可以通过改变电流波形的占 空比来改变光输出，低测量电流引起非常小的光发射，使得可以获得良好的暗性能。本发明不需要结温度的实际估计。重要的是，正向电压的分析考虑结温度，结温度与如何高效地将输入功率转换成光而不是热有关。随着LED的老化，至光的转换变 得效率低，而至热的转换变得更显著。因此，对加热效应的监控可以用于实现对LED老 化状态的估计，从而实现对输出通量的估计。图3示出了用于估计LED的输出光通量的系统。电流源电路10用于将前向偏置电流驱动通过LED 11，该电流包括上述方波。任 何适合的电流源电流可以用于此目的。电压测量电路12对前向偏置压降进行采样，并且将采样提供给处理器14。处理 器14实现以下进一步描述的处理。WO 2009/095853的结温度估计方法实质上基于根据LED正向电压的温度估计，
具体地，使用以下方程 Δ F,
权利要求
1.一种估计发光二极管LED的输出光通量的方法，包括在包括测试周期的时间段内对LED施加驱动电流波形；在测试周期期间监控LED上的正向电压(Vf)；根据正向电压的变化(AVf)估计输出光通量。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定(44)老化之前的输出光通量，以及在 根据正向电压的变化估计输出光通量中使用所述老化之前的输出光通量。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括确定在测试周期期间施加到LED的电功 率，以及在根据正向电压的变化估计输出光通量中使用所述电功率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，驱动电流波形包括用于对LED 施加电流应力的相对高的电流部分(Ihlgh)、以及相对低的测量电流部分(Ikjw),其中，在 相对低的测量电流部分期间监控正向电压(Vf)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在相对高的电流部分(Ihlgh)结束之后、在测量 电流部分(Ikjw)开始处测量正向电压(Vf)，随后在测量电流部分期间正向电压已经稳定时 测量正向电压(Vf)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所估计的输出光通量被确定为
7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其中，测量电流部分小于或等于1mA。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，驱动电流波形包括在相对高电流 值(Ihlgh)与相对低电流值(IkJ之间切换的方波，在测试周期期间，在足以使前向电压稳 定的时间上，保持相对低电流值。
9.一种用于估计发光二极管LED的结温度的系统，包括用于在包括测试周期的时间段内对LED施加驱动电流波形的装置(10、14)；用于在测试周期期间监控LED上的正向电压的装置(12)；以及用于根据正向电压的变化估计输出光通量的装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，驱动电流波形包括用于对LED施加电流应 力的相对高的电流部分(Ihlgh)、以及相对低的测量电流部分(Ikjw),其中，用于监控的装 置(12)在相对低的测量电流部分期间监控正向电压。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，用于监控的装置(12)在相对高的电流部分 (Ihlgh)结束之后、在测量电流部分(Ikjw)开始处测量正向电压，随后在测量电流部分期间 正向电压已经稳定时测量正向电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，用于估计输出光通量的装置将光输出通量确 定为
13.—种发光二极管LED控制系统，包括根据权利要求9至12中任一项所述的用于估计输出光通量的系统；以及用于根据估 计的输出光通量温度来驱动LED的LED驱动电路。
全文摘要
本发明提供了一种估计发光二极管的输出光通量的方法，包括在包括测试周期的时间段内对LED施加驱动电流波形，在测试周期期间监控LED上的正向电压，以及根据正向电压的变化估计输出光通量。
文档编号G01J1/00GK102012311SQ20101027530
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月6日 优先权日2009年9月7日
发明者帕斯卡尔·贝思肯, 拉杜·苏尔代亚努, 菲特·恩古耶恩霍安 申请人:Nxp股份有限公司