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摘要：基于大功率 LED 結(jié)溫測(cè)量方法，研究被測(cè) LED 器件注入方波電流脈沖過(guò)程中電流幅度與工作流量之間的比值。發(fā)現(xiàn)實(shí)際額定電流與沖脈電流比值相同。通過(guò)直接測(cè)量 LED 在額定工作電流下的正向結(jié)電壓，并輔助溫度敏感系數(shù)，就能夠測(cè)得 LED 的結(jié)溫。

1  引言

LED 結(jié)溫的高低與其封裝有很大的關(guān)系。我國(guó)多芯片集成封裝是目前獲得高光通量的一個(gè)最可行的方案。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于受到相關(guān)價(jià)格的制約以及 LED 集成封裝可用的空間、散熱問(wèn)題的影響，致使利用率大大降低。發(fā)光芯片在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于密度過(guò)于集中，很有可能會(huì)引發(fā)產(chǎn)品的散熱問(wèn)題，致使基板溫度驟升。因此，對(duì)于此類問(wèn)題，應(yīng)借助改變熱沉結(jié)構(gòu)的方式，對(duì)其進(jìn)行封裝。

2  LED 熱特性的研究

  2.1 驅(qū)動(dòng)電流的影響 

LED 結(jié)溫可以理解為 LED 芯片溫度的數(shù)值。一般來(lái)說(shuō)，LED 結(jié)溫產(chǎn)生原因有多種多樣[1-4]。兩大因素：一方面，由于出光效率低，LED 在能量轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)用的效率較低，進(jìn)而造成的結(jié)溫變化；其次，則是由于 LED 封裝的散熱能力過(guò)低造成的。散熱能力越低，出光效率則越低，結(jié)溫上升越高。

  2.2 結(jié)溫對(duì) LED 參數(shù)的影響 

（1）LED 永久性老化。當(dāng) LED 結(jié)溫在高溫狀態(tài)之下的老化十分嚴(yán)重，因?yàn)檫@種永久老化是不能恢復(fù)的。高溫時(shí)，LED 封裝出現(xiàn)光效率下降衰減。

（2）對(duì) LED 正向電壓的干擾。LED 結(jié)溫上升過(guò)程中，由于此時(shí)受到溫度的影響，電壓值 VF 值相較于高峰時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的下降情況。因此，LED 在 IF 為常量時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù)特性。而后，隨著干擾的強(qiáng)度不斷增加，P-N 結(jié)溫的情況也會(huì)愈演愈烈。在實(shí)際應(yīng)用中，恒流供電是 LED 工作的優(yōu)化模式，由于此類正向電壓的干擾，正向電流增加，很有可能損壞產(chǎn)品的內(nèi)部器件。

（3）對(duì)  LED 發(fā)光波長(zhǎng)的干擾。當(dāng)結(jié)溫上升時(shí)，LED 的發(fā)光波長(zhǎng)變長(zhǎng)。此時(shí)，LED 顯示效果發(fā)生偏色發(fā)光波長(zhǎng)一般可分成峰值波長(zhǎng)與主波長(zhǎng)二類。這兩類分別表示主波長(zhǎng)以及強(qiáng)光波長(zhǎng)。其中的  X、Y 色度坐標(biāo)決定主波長(zhǎng)的感知顏色，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值對(duì)于一個(gè) LED 器件的波長(zhǎng)或顏色起決定性作用。

（4）對(duì) LED 光效的干擾。隨著結(jié)溫的不斷上升，會(huì)使得產(chǎn)品出現(xiàn)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)缺陷等問(wèn)題。一旦隨著時(shí)間的推移當(dāng)溫度升高到最大限度時(shí)，很有可能造成光通量的驟降，進(jìn)而對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞。

（5）對(duì) LED 熒光粉效率的干擾。LED 芯片結(jié)溫變化比較復(fù)雜。在這一過(guò)程中，隨著 LED 熒光粉效率干擾的問(wèn)題不斷加重，最終會(huì)致使 LED 熒光粉發(fā)光效率下降，但是一般情況下對(duì)于產(chǎn)品的應(yīng)用不會(huì)造成嚴(yán)重的損毀。

3  LED 結(jié)溫測(cè)量技術(shù)

現(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于 LED 結(jié)溫測(cè)量技術(shù)也沒有形成一個(gè)規(guī)范、統(tǒng)一的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。在 LED 結(jié)溫測(cè)量技術(shù)中，由于工藝等因素不統(tǒng)一，而且在實(shí)際應(yīng)用中缺乏一個(gè)嚴(yán)明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這就使得大功率 LED 結(jié)溫的測(cè)量存在問(wèn)題，而且如果同傳統(tǒng)功率進(jìn)行對(duì)比后能夠發(fā)現(xiàn)，這二者存在很大不同。

（1）紅外熱成像法的應(yīng)用。此種成像法測(cè)量 LED 結(jié)溫，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有測(cè)量方便的優(yōu)點(diǎn)。但是與此同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中也存在易受 LED 封裝結(jié)構(gòu)的影響的缺點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差。而且此種方法應(yīng)用到的儀器價(jià)格昂貴。

（2）光譜法的應(yīng)用。此種方法主要利用 LED 結(jié)溫升高時(shí)，LED 的主波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生一定的改變，這種改變會(huì)造成波長(zhǎng)的漂移。當(dāng)主波長(zhǎng)漂移時(shí)，結(jié)溫每升高 10 ℃，則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移約為 l cm。

（3）管腳溫度法的應(yīng)用。管腳溫度法在當(dāng)前的應(yīng)用也十分普遍，該種方法主要借助熱輸運(yùn)性質(zhì)，可以最終對(duì)芯片耗散的熱功率確定結(jié)溫。

（4）藍(lán)白比法的應(yīng)用。藍(lán)白比法是一種非接觸的結(jié)溫測(cè)量方法，此種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用中，借助此種方法根本不需要對(duì)整體進(jìn)行破壞，就能夠直接測(cè)得結(jié)溫的實(shí)際數(shù)值。

（5）脈沖電流法的應(yīng)用。脈沖電流的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域較為常見，此方法幅值為 LED 的實(shí)際額定電流數(shù)值，通過(guò)高速電壓采樣電路測(cè)量，可以掌握  LED 方波電流脈沖輸入時(shí)的正向電壓數(shù)值。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，電流脈沖對(duì) LED 結(jié)溫的影響可以暫時(shí)忽略不計(jì)，而且能夠測(cè)得最終敏感系數(shù)。

4  LED 脈沖電流法測(cè)試

（1）測(cè)量裝置。測(cè)量裝置在 LED 沖脈電流法中應(yīng)用較廣，其中，測(cè)量裝置的可調(diào)脈沖信號(hào)源可以生產(chǎn)脈沖信號(hào)；測(cè)量裝置的應(yīng)用使得脈沖變換選擇性增加，電路負(fù)責(zé)對(duì)脈沖信號(hào)源輸出的分類也發(fā)生了一定變化。由于應(yīng)用測(cè)量裝置能夠?qū)⑶凹?jí)電壓的控制，壓控電流源按照要求輸出一定數(shù)值的脈沖電流。恒溫箱負(fù)責(zé)為 LED 的測(cè)量提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境。

（2）參數(shù)特點(diǎn)分析。LM3886 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有諸多優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在對(duì)結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)的記錄上。同時(shí)，應(yīng)用 LM886 還能夠避免由于結(jié)溫過(guò)高，對(duì)設(shè)備造成的損壞。若在運(yùn)行過(guò)程中，供電電壓低于 10 V 時(shí) LM3886 還可以自動(dòng)的終止工作狀態(tài)，保護(hù)電路。

（3）可控脈沖電流源電路。本文主要參照 LM3886 典型工作電路，并且以此作為可控沖脈電流源電路的應(yīng)用典型案例。結(jié)果顯示：應(yīng)用可控脈沖源當(dāng)脈沖頻率達(dá)到一定的脈寬時(shí)，此時(shí)，可控脈沖電流的源電路還能夠保障原波形的不變性，兒當(dāng)對(duì)電路中的電流進(jìn)行改變時(shí)，首先對(duì)其進(jìn)行取樣分析，此時(shí)，可控脈沖電源電流上升時(shí)間會(huì)略大于 l µs。但是通過(guò)對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)，盡管原波形發(fā)生了變化，但是這種波形的變化對(duì)于工作電路并不受到什么影響。由此，能夠得知，電路中  RP1 可以調(diào)節(jié)脈沖波的波峰電流值，使電流源波谷電流能夠盡可能達(dá)到“0”，RP2 的作用可以平衡 74LS00 門電路的殘余波谷電壓，同時(shí)它也可以調(diào)節(jié)電流源波谷電流使它為某一需要的電流值。

（4）試驗(yàn)過(guò)程。計(jì)算結(jié)溫?cái)?shù)值和熱阻數(shù)值。實(shí)驗(yàn)中，分別在同一工作狀態(tài)下用小電流 K 系數(shù)法和窄脈法對(duì)樣本 LED 的結(jié)溫進(jìn)行測(cè)量。對(duì)電流工作較長(zhǎng)時(shí)間的 LED 進(jìn)行運(yùn)行，再對(duì)電流的運(yùn)行情況進(jìn)行分別測(cè)量。小電流 K 系數(shù)法以及窄脈法的應(yīng)用主要是為了保證實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。具體的響應(yīng)數(shù)據(jù)情況如表 1。分析發(fā)現(xiàn)結(jié)溫?cái)?shù)值的數(shù)據(jù)與熱阻值的數(shù)據(jù)二者之間存在聯(lián)系。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠看出，盡管目前這種方法還在進(jìn)一步的試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在一些問(wèn)題，其中主要問(wèn)題針對(duì)壓控電流源的要求卻有著很高的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，脈沖信號(hào)源具有較高要求，尤其是針對(duì)測(cè)試中的壓控電流源要求響應(yīng)速率，有著極高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

5  結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)上述的相關(guān)熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行理論分析。能夠發(fā)現(xiàn)，在展開的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，影響 LED 結(jié)溫的脈沖電流測(cè)量數(shù)值的因素包括測(cè)量步驟、脈寬、測(cè)量數(shù)值的精準(zhǔn)程度。（2）利用脈沖電流法對(duì) LED 結(jié)溫的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以測(cè)量 LED 結(jié)溫高速可控方波脈沖電流源作為主要的思路，這能夠有效的保障實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度，同時(shí)也為真正設(shè)計(jì)制造脈沖法測(cè)量結(jié)溫的儀器帶來(lái)了理論上的幫助。由于實(shí)驗(yàn)的周期性較短，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備利用率以及使用情況較為良好，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原有 K 系數(shù)法測(cè)量結(jié)溫系統(tǒng)的在應(yīng)用。