LED燈具檢測及改善

文章介紹了通過Vf-TJ 曲線的標出并控制LED 在控定的結溫下測量其光、色、電參數(shù)不僅對采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結溫提供了目標限位，同時也使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的測量參數(shù)更接近于實際的應用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測量LED 的結溫并確定LED 參考點的限值溫度與結溫的函數(shù)關系。這對快速評估采用LED 的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個有效的途徑。

一、 序言

對于一個新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先于產(chǎn)品標準和檢測方法。雖然產(chǎn)品的標準和檢測方法不可能先于產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產(chǎn)品設計開發(fā)的進度，因為產(chǎn)品的標準和檢測方法的制定過程本身就是對產(chǎn)品研發(fā)過程的回顧研討和小結，只要條件基本成熟，產(chǎn)品標準和檢測方法的制訂越及時，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LED 照明產(chǎn)品標準和檢測方法的回顧、小結的時候已經(jīng)基本到來。

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

1、傳統(tǒng)的LED 模塊的檢測方法

目前傳統(tǒng)的 LED 模塊的檢測方法主要有兩種，第一種是采用脈沖測量的方法，它是把照明LED 模塊固定在測量裝置上(例如積分球的測量位置等)，采用脈沖恒流電源與瞬時測量光譜儀的同步聯(lián)動，即對LED 發(fā)出數(shù)十毫秒～數(shù)佰毫秒恒流的脈沖電流的同時，同步打開瞬時測量光譜儀器的快門，對LED 發(fā)出的光參數(shù)(光通量、光色參數(shù)等)進行快速檢測，同時，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過程中，LED 的結溫幾乎等同于室溫，所以，測量結果的光效高，光色和電參數(shù)與實際使用情況有明顯差異，這一般都是LED 芯片(器件)生產(chǎn)商采用的快速檢測方法，而與LED 實際應用在最終照明器具中的狀態(tài)不具有可參比性。

第二種檢測方法是把LED模塊安裝在檢測裝置上后，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)的照明光源檢測方法的影響，也是等到LED達到熱平衡后再開始測量它的光電參數(shù)。這種方法看似比較嚴密，但實際上，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)仍沒有好的關聯(lián)性，因此所測的光電參數(shù)與今后實際的應用狀態(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量方法》標準中，在這方面是這樣規(guī)定的：’試驗或測量時LED模塊應工作在熱平衡狀態(tài)下，在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時，最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗的可復現(xiàn)性。如可能監(jiān)測LED模塊結電壓，則應首選監(jiān)測結電壓。否則，應監(jiān)測LED模塊指定溫度測量點的溫度’?？梢娫诒O(jiān)測結電壓的條件下來測量LED 模塊的光電參數(shù)是保證檢測重現(xiàn)性的首選方案，但是，標準中沒有指明在模擬實際使用結溫條件下檢測LED 模塊的光、色、電參數(shù)。

2、LED 模塊測量方法的改進

眾所周知，LED 的光、電參數(shù)特性與它的工作時的結溫密切相關，同一個LED 產(chǎn)品，結溫的不會造成這些參數(shù)的明顯不同，這也造成了同一個LED 光、色、電參數(shù)測量結果的明顯不一致性，所以測量LED 的光電參數(shù)首先應考慮在設定的工作結溫的條件下來進行。另外，LED 因為封裝的工藝、材料等差異，其聲稱的最高工作結溫是明顯不同的，為了保證LED 照明產(chǎn)品具有高效、長壽的特點，LED 實際的工作結溫應明顯低于最高工作結溫。例如，目前我們大量采用的LED 封裝方法和技術，在LED 的發(fā)光面前，都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實踐證明，要使此類LED 照明器具，到70%的光通維持率的時間要≥6 萬小時，其工作結溫必須保持在70℃～75℃以下。從提高光效和使用壽命的角度來講，LED 的工作結溫能保持在60℃以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價比來講，則應該控制在能達到預期的光效和使用壽命的基礎上把LED的最高工作結溫控制在70℃～75℃最為合適。為了使LED 及其模塊的光、色、電參數(shù)的檢測也盡可能接近于實際應用的結溫狀態(tài)，就必須解決如何測量LED的結溫并能在這一結溫下進行光、色、電參數(shù)的檢測問題。

(1)目前LED 的結溫測量方法大概有

1)通過測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數(shù)求得結溫。但是因為耗散功率和熱阻系數(shù)的不準確，所以測量精度比較低。

2)紅外熱成像法，利用紅外非接觸溫度儀直接測量LED 芯片的溫度，但要求被測器件處于未封裝的狀態(tài)，另外對LED 封裝材料折射率有特殊要求，否則無法準確測量，測量精度比較低。

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

4)向列型液晶熱成像技術，對儀器分辨率要求高，只能測量未封裝的單個裸芯片，不能測量封裝后的LED。

5)利用二極管 PN 結電壓與結溫的Vf-TJ 關系曲線，來測量LED 的結溫。

從上述介紹的各種 LED 結溫的測量方法可看出，采用監(jiān)視二極管PN 結電壓的變化來推算結溫的方法最具有可行性并且測量精度也最高，所以在很多集成IC 電路中，為了檢測IC 芯片的工作結溫，往往會刻出或值入1 個或幾個二極管，通過測量其正向電壓降的變化來達到測量芯片結溫的目的。

(2)目前國際上較先進的Vf-TJ 測量方法

目前國際上先進的 Vf-TJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線放入在硅油缸內，隨后加熱硅油缸使硅油的溫度達到140℃左右，隨后讓缸內硅油自然冷卻，只要冷卻時硅油溫度下降的速度足夠慢，就可以認為LED 的結溫與LED 的熱沉的溫度是基本一致的，在此過程中，根據(jù)所測的硅油溫度，每下降2℃～10℃時瞬時給LED 輸入規(guī)定的電流脈沖，并測量其在這一溫度下的正向電壓降，把這一測量點的溫度和正向電壓降導入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫，從140℃左右開始，隨溫度的下降，每下降一個設定的等分溫度測量一次熱沉溫度和正向電壓降，一直測量到25℃左右，當完成這一組測量數(shù)據(jù)并導入到電腦軟件的數(shù)據(jù)庫后，由軟件產(chǎn)生一個Vf-TJ 曲線。這一方法屬于在溫度下降時測量方法，對于測量來說是可行的，但是因為試驗室的環(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，這就造成當硅油缸的油溫較高時，因為與試驗室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，為了保證測量的準確性采用了適當?shù)拇胧┦构栌透自跍囟容^高時溫度下降不致于太快，但當硅油缸溫度較低時，因為與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢，這大大延長了這一檢測過程的測量時間。因為上述原因，這一溫度下降時的測量方法在標定Vf-TJ 過程是不可能短的，(大約需4～5 小時)，否則將產(chǎn)生明顯的測量誤差。另外，這種檢測裝置油缸是固定的，要測量第二組，時間很慢。還有上述加熱裝置是在硅油缸外面的底部，加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯后，這也造成這一方法測量結溫的準確性比較差。