一种新型的LED结温测量方法与流程

本发明涉及LED结温测量领域，特别是涉及一种新型的LED结温测量方法。

背景技术：

LED以其节能环保，发光效率高，使用寿命长，响应速度快等优点在显示、照明、通讯等领域获得广泛应用。但随着单颗LED芯片功率地不断提高，发热问题不容忽视。LED正常工作时，有70%的能量转化为热能，这将直接导致芯片结温上升，光通量下降，使用寿命缩短并产生一定的色偏，因此，在改进LED散热的同时，还需要对LED结温实时监测并进行有效分析。而这都离不开对LED结温的测量。

现有的LED结温测量方式主要有光学测量法、热阻测量法、电学参数法等。其中，光学测量法脱离LED芯片实际工作环境，且所需测量设备价格昂贵；热阻测量法中热阻值的测量难度较大，且所需测量参数较多，易导致误差积累。电学参数法是依据恒定电流下，结温与电压基本线性的关系来求解结温。该方法虽然能够快速准确地测量LED结温，但测量只限于电流为小幅窄脉冲情况下，而这种情况下，芯片易出现闪烁且结温快速跌落，不利于LED结温的实时监测。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供明一种新型的LED结温测量方法，简便实用，便于实时检测与实时监测的LED结温测量方法，且该方法具备一定的精度。

本发明采用以下方案实现：一种新型的LED结温测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一LED芯片结温数据测量提取装置，包括脉冲电流发生器，用以测试的LED芯片，恒温设备，数据采集装置，计算机；

步骤S2：将LED芯片置于一恒温设备中，测量在不同恒定结温T条件下，不同输入电流I下的LED芯片的输入电压U，并获得U-I-T的曲面图；

步骤S3：根据测量得到的输入电压U、输入电流I和结温T数据，在所述计算机中通过MATLAB获得以输入电压U和输入电流I为变量的LED结温T的模型表达式；

步骤S4：将LED芯片实时的输入电流I和输入电压值U代入步骤S3得到的LED结温T的模型表达式，得到此时LED芯片的结温，即实现LED结温的实时检测与实时监测。

进一步地，所述步骤S2中，测量在不同恒定结温T条件下，不同输入电流I下的LED芯片的输入电压U，并获得U-I-T的曲面图的具体包括以下步骤：

步骤S21：将LED芯片放置于所述恒温设备中，所述LED芯片的两端与脉冲电流发生器的两端连接；

步骤S22：当LED芯片达到热稳定时，其结温为恒温设备内部温度，脉冲电流发生器产生一个幅值恒定的脉冲电流I输入LED芯片，利用与所述LED芯片相连的数据采集装置记录此时的输入电压U；

步骤S23：调节恒温设备温度，返回步骤S22，重复数据测试采集过程，得到一系列不同结温，不同脉冲电流下对应的输入电压。

进一步地，所述步骤S3中，所述计算机与所述数据采集装置相连，所述数据采集将步骤S2采集到的测量数据传输至所述计算机，所述MATLAB拟合步骤S21中LED芯片在不同结温下的输入电流和输入电压值，获得以输入电压U和输入电流I为变量的LED结温T的具体模型表达式，即提取建立结温T模型所需的参数。

特别地，所述步骤S22中，将LED芯片置入能控温的恒温设备中，当LED达到热稳定时，LED的结温与恒温设备内温度一致，此时通过脉冲电流发生器给LED芯片通入一幅值恒定并且脉冲时间足够短的脉冲电流I，通过数据采集装置获得通入脉冲电流所对应的电压值；所述步骤S23中改变恒温设备温度，给予LED芯片在恒温条件内足够长的热交换时间，如2min后，LED芯片即可重新达到热稳定。

进一步地，所述步骤S3中，利用MATLAB获得LED结温关于输入电压U与输入电流I的表达式的具体方法为：在0℃以上，输入电流I在0-2A的范围内，U与I近似为多次项的关系，U与T为近似线性关系；

将LED芯片的电路模型等效为一个理想二极管和一个电阻R串联，则LED的伏安特性为：

式中I为输入电流，Is为反向饱和电流，q为电子电量，U为输入电压，R为串联电阻，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为结温；

通过泰勒级数展开，LED伏安特性的电压模型可简化为：

U(I,T)＝(C₁I³+C₂I²+C₃I+C₄)(C₅T+1)

表达式中C1，C2，C3，C4，C5为常系数，可通过对实测数据拟合得到；

LED的结温公式为：

特别地，本发明解决其技术问题所采用的原理是：

通常LED的等效电路模型为一个理想二极管与一个电阻R串联，其中理想二极管满足Schockley方程可表达为：

式中I为输入电流，I_s为反向饱和电流，q为电子电量，U为输入压降，R为等效电阻，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为结温，由于exp[q(U-IR)/nkT]＞＞1，因此省略-1，方程改写为：

\*MERGEFORMAT(1)

由上式可以获得LED的电压表达式为：

\*MERGEFORMAT(2)

当输入电流在0-2A范围时，可将上式泰勒展开，得到：

\*MERGEFORMAT(3)

则可知U是关于I的多次表达式，可以简写为：

U＝A₁+A₂I+A₃I²+A₄I³+…

\*MERGEFORMAT(4)

其中，系数A₁，A₂，A₃，A₄为系数。

R与I_s是一个与温度有关的函数，在半导体材料杂质完全电离，本征激发可以忽略,且工作温度高于0℃的条件下，将式的U对T求导，最终可得：

\*MERGEFORMAT(5)

其中B₁，B₂，B₃为系数。由上式可知，在恒流下，U与T近似线性关系。

根据和，LED正向电压模型可表示为式，U是一个与电流I呈三次关系，与结温呈一次关系的函数：

U(I,T)＝(C₁I³+C₂I²+C₃I+C₄)(C₅T+1)

\*MERGEFORMAT(6)

其中，C₁，C₂，C₃，C₄，C₅为LED在0℃时的系数。

根据式可得以输入电压U和输入电流I为变量的LED结温T的模型为：

\*MERGEFORMAT(7)

式中，C₁，C₂，C₃，C₄，C₅为系数，可通过实测数据拟合得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将LED的结温T的表达式仅用电压U和电流I两个变量来表示，而不需要难测的热阻，热容参数，甚至连LED的反向饱和电流Is都不需要，大大简化了LED结温测试过程，并能实现LED结温的实时检测和实时监测。避免了传统的LED结温测量方法中设备昂贵，脱离实际工作场合等问题，极大简化了LED的结温测量过程。

附图说明

图1是本发明结温模型参数的提取装置示意图。

图2是本发明测量CREE XRE U-I曲线与实际U-I的曲线对比图

图3是本发明测量的CREE XRE结温曲线与实际结温的曲线对比图

图4是本发明测量CREE XRE拟合出的U-I-T曲面图。

图中：1-脉冲电流源；2-数据采集装置；3-用以测量的LED芯片；4-恒温设备，包括油浴锅，恒温箱等。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种新型的LED结温测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一LED芯片结温数据测量提取装置，包括脉冲电流发生器，用以测试的LED芯片，恒温设备，数据采集装置，计算机；

步骤S2：将LED芯片置于一恒温设备中，测量在不同恒定结温T条件下，不同输入电流I下的LED芯片的输入电压U，并获得U-I-T的曲面图；

步骤S3：根据测量得到的输入电压U、输入电流I和结温T数据，在所述计算机中通过MATLAB获得以输入电压U和输入电流I为变量的LED结温T的模型表达式；

步骤S4：将LED芯片实时的输入电流I和输入电压值U代入步骤S3得到的LED结温T的模型表达式，得到此时LED芯片的结温，即实现LED结温的实时检测与实时监测。

进一步地，所述步骤S2中，测量在不同恒定结温T条件下，不同输入电流I下的LED芯片的输入电压U，并获得U-I-T的曲面图的具体包括以下步骤：

步骤S21：将LED芯片放置于所述恒温设备中，所述LED芯片的两端与脉冲电流发生器的两端连接；

步骤S22：当LED芯片达到热稳定时，其结温为恒温设备内部温度，脉冲电流发生器产生一个幅值恒定的脉冲电流I输入LED芯片，利用与所述LED芯片相连的数据采集装置记录此时的输入电压U；

步骤S23：调节恒温设备温度，返回步骤S22，重复数据测试采集过程，得到一系列不同结温，不同脉冲电流下对应的输入电压。

在本实施例中，所述步骤S3中，所述计算机与所述数据采集装置相连，所述数据采集将步骤S2采集到的测量数据传输至所述计算机，所述MATLAB拟合步骤S21中LED芯片在不同结温下的输入电流和输入电压值，获得以输入电压U和输入电流I为变量的LED结温T的具体模型表达式，即提取建立结温T模型所需的参数。

在本实施例中，所述步骤S22中，将LED芯片置入能控温的恒温设备中，当LED达到热稳定时，LED的结温与恒温设备内温度一致，此时通过脉冲电流发生器给LED芯片通入一幅值恒定并且脉冲时间足够短的脉冲电流I，通过数据采集装置获得通入脉冲电流所对应的电压值；所述步骤S23中改变恒温设备温度，给予LED芯片在恒温条件内足够长的热交换时间，如2min后，LED芯片即可重新达到热稳定。

在本实施例中，所述步骤S3中，利用MATLAB获得LED结温关于输入电压U与输入电流I的表达式的具体方法为：在0℃以上，输入电流I在0-2A的范围内，U与I近似为多次项的关系，U与T为近似线性关系；

将LED芯片的电路模型等效为一个理想二极管和一个电阻R串联，则LED的伏安特性为：

式中I为输入电流，Is为反向饱和电流，q为电子电量，U为输入电压，R为串联电阻，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为结温；

通过泰勒级数展开，LED伏安特性的电压模型可简化为：

U(I,T)＝(C₁I³+C₂I²+C₃I+C₄)(C₅T+1)

表达式中C1，C2，C3，C4，C5为常系数，可通过对实测数据拟合得到；

LED的结温公式为：

。

在本实施例中，根据图1的结温模型参数的提取装置示意图连接好测量实验装置，本实施例中采用的LED样品型号为CREE XRE，恒温设备选用可控温油浴锅，将该设备调节至设定温度，脉冲输入电流幅值为0.05至1.6A，其中在0.05-0.4A区间,电流步长为0.05A,在0.4-1.6A之间，电流步长为0.1A，测得此时对应的各值，其中测完一次电压U，每个电流脉冲宽度不超过20ms,每两次测量的时间间隔不低于2min，确保LED样品在测试过程中，结温近似保持与设定油温一致。则在50℃结温时的U-I曲线如图2所示，为：

U＝0.1805I³-0.7562I²+1.286I+2.6302

获得在固定油温下的U-I曲线后，改变油浴锅的油温，按照相同的方法，重新测试上述脉冲电流下所对应的电压值。此次测试完成了设定油温分别是30℃，35℃，40℃，50℃，60℃，70℃的数据测量。则根据CREE XRE的技术参数，我们取0.8A时的U-T关系进行拟合，效果如图3所示，曲线为：

U＝-0.0044T+3.4567

根据以上所测试的数据，通过MATLAB软件拟合得图4，该LED样品的LED结温T模型表达式为：

其中模型参数：C1=0.1690，C2=-0.7080，C3=1.2041，C4=2.4627，C5=0.0041。

根据图4可以看出该公式与实测点的拟合效果达到了较为理想的吻合。验证了本方法、模型及理论公式的有效性与精确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。