LED灯具检测方法关键缺陷及改善策略 LED燈具檢測方法關鍵缺陷及改善策略 時間：2011-04-26 流覽1625 次 【字體：大 中 小】 傳統的 led 及其模組光、色、電參數檢測方法有電脈衝驅動，CCD 快速光譜測量法，也有在一定的條件下，熱平衡後的測量法，但這些方法的測量條件和結果與LED 進入照明器具內的實際工作情況都相差甚遠。文章介紹了通過VfTJ 曲線的標出並控制LED 在控定的結溫下測量其光、色、電參數不僅對採用LED的照明器具的如何保證LED 工作結溫提供了目標限位元，同時也使LED 及其模組的光、色、電參數的測量參數更接近於實際的應用條件。文章還介紹了採用LED的照明器具如測量LED 的結溫並確定LED 參考點的限值溫度與結溫的函數關係。這對快速評估採用LED 的照明器具的工作狀態和使用壽命提供了一個有效的途徑。 一、 序言 對於一個新興的產品，其產品自身的發展總是先於產品標準和檢測方法。雖然產品的標準和檢測方法不可能先於產品的研發，但是，產品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產品設計開發的進度，因為產品的標準和檢測方法的制定過程本身就是對產品研發過程的回顧研討和小結，只要條件基本成熟，產品標準和檢測方法的制訂越及時，就越能減少產品研發過程的盲目性。LED 照明產業發展到現在，我們對LED 照明產品標準和檢測方法的回顧、小結的時候已經基本到來。 二、 LED 模組的光電參數和檢測方法的現狀和改進方法 1、傳統的LED 模組的檢測方法 目前傳統的 LED 模組的檢測方法主要有兩種，第一種是採用脈衝測量的方法，它是把照明LED 模組固定在測量裝置上（例如積分球的測量位置等），採用脈衝恒流電源與暫態測量光譜儀的同步聯動，即對LED 發出數十毫秒數佰毫秒恒流的脈衝電流的同時，同步打開暫態測量光譜儀器的快門，對LED 發出的光參數（光通量、光色參數等）進行快速檢測，同時，也同步採集LED 的正向壓降和功率等參數。由於這種方式在檢測過程中，LED 的結溫幾乎等同於室溫，所以，測量結果的光效高，光色和電參數與實際使用情況有明顯差異，這一般都是LED 晶片（器件）生產商採用的快速檢測方法，而與LED 實際應用在最終照明器具中的狀態不具有可參比性。 第二種檢測方法是把LED模組安裝在檢測裝置上後，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，受傳統的照明光源檢測方法的影響，也是等到LED達到熱平衡後再開始測量它的光電參 數。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仍沒有好的關聯性，因此所測的光電參數與今後實際的應用狀態的參數仍不具有可參比性。已經頒佈的GB/T248242009/CIE 127-2007NEQ普通照明用LED模組的基本性能的測量方法標準中，在這方面是這樣規定的：“試驗或測量時LED模組應工作在熱平衡狀態下，在監視環境溫度的同時，最好能監視LED模組自身的工作溫度，以保證試驗的可複現性。如可能監測LED模組結電壓，則應首選監測結電壓。否則，應監測LED模組指定溫度測量點的溫度”。可見在監測結電壓的條件下來測量LED 模組的光電參數是保證檢測重現性的首選方案，但是，標準中沒有指明在模擬實際使用結溫條件下檢測LED 模組的光、色、電參數。 2、LED 模組測量方法的改進 眾所周知，LED 的光、電參數特性與它的工作時的結溫密切相關，同一個LED 產品，結溫的不會造成這些參數的明顯不同，這也造成了同一個LED 光、色、電參數測量結果的明顯不一致性，所以測量LED 的光電參數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 照明產品具有高效、長壽的特點，LED 實際的工作結溫應明顯低於最高工作結溫。例如，目前我們大量採用的LED 封裝方法和技術，在LED 的發光面前，都具有高分子矽膠加螢光粉的覆蓋層。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7075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7075最為合適。為了使LED 及其模組的光、色、電參數的檢測也盡可能接近於實際應用的結溫狀態，就必須解決如何測量LED的結溫並能在這一結溫下進行光、色、電參數的檢測問題。 （1）目前LED 的結溫測量方法 1）通過測量管腳溫度和晶片耗散功率和熱阻係數求得結溫。但是因為耗散功率和熱阻係數的不準確，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 晶片的溫度，但要求被測器件處於未封裝的狀態，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 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，所以測量精度和重複性都比較低。 4）向列型液晶熱成像技術，對儀器解析度要求高，只能測量未封裝的單個裸晶片，不能測量封裝後的LED。 5）利用二極體 PN 結電壓與結溫的Vf-TJ 關係曲線，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，採用監視二極體PN 結電壓的變化來推算結溫的方法最具有可行性並且測量精度也最高，所以在很多集成IC 電路中，為了檢測IC 晶片的工作結溫，往往會刻出或值入1 個或幾個二極體，通過測量其正向電壓降的變化來達到測量晶片結溫的目的。 （2）目前國際上較先進的VfTJ 測量方法 目前國際上先進的 VfTJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線放入在矽油缸內，隨後加熱矽油缸使矽油的溫度達到140左右，隨後讓缸內矽油自然冷卻，只要冷卻時矽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，根據所測的矽油溫度，每下降210時暫態給LED 輸入規定的電流脈衝，並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體的資料庫，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，當完成這一組測量資料並導入到電腦軟體的資料庫後，由軟體產生一個VfTJ 曲線。這一方法屬於在溫度下降時測量方法，對於測量來說是可行的，但是因為試驗室的環境溫度是衡定的（一般為25），而矽油缸的油溫是從高到低下降的，這就造成當矽油缸的油溫較高時，因為與試驗室環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採用了適當的措施使矽油缸在溫度較高時溫度下降不致於太快，但當矽油缸溫度較低時，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VfTJ 過程是不可能短的，（大約需45 小時），否則將產生明顯的測量誤差。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矽油缸外面的底部，加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯後，這也造成這一方法測量結溫的準確性比較差。 （3）新的VfTJ 檢測方法 本機構發明的檢測方法是採用溫度上升時的測量方法，採用電腦設定的PID（積分、微分加上加熱與不加熱時間比例控制）方法來加熱和控制矽油缸的溫度，即在矽油缸加熱的起始段，加熱時間與不加熱時間的比例是很小的，並且可調，使矽油缸溫度上升速率能保證LED 結溫、熱沉與矽油溫度的一致性，隨著矽油溫度的逐步上升，與室溫的溫差也隨之加大，此時PID 加熱和控溫系統會自動加大加熱時間與不加熱時間的比例，（實際加大了單位時間內的加熱功率）所以能保證矽油缸內矽油的溫度上升速率始終保持在設定的速率上，不會因為矽油溫度與環境溫度的差異不同而發生油溫上升的速率不同。可以設定讓矽油衡溫在應用溫度範圍的任一溫度值上，也可以實現0.1/分鐘2/分鐘的升溫速率。 在每次升溫階段後，具有一個衡溫控制階段，即升溫階段和衡溫階段形成了階梯式控溫曲線。隨著溫度階梯式上升，測量正向電壓可以設定成每上升0.5測量一次，並且可以以0.5的間隔，可逐步調整到每上升10測量一次。為了保證控溫以及測量的溫度的及時性，採用內置式加熱，另外又為了保證矽油缸內油溫的一致性，在油缸底部加有一個磁性感應的攪拌條，利用外部電機轉動並通過磁感應帶動這一攪拌磁條在油缸內轉動，這一轉動速度可調，從而保證了油缸內的矽油溫差保持在0.2範圍內。本測量裝置因為矽油溫度上升的速率幾乎一致，並且實行階梯式升溫和控溫，從而能保證在合理的溫度上升速率的條件下得到準確的檢測結果，並且檢測時間（從25到140約為2.5 個小時左右）能明顯低於目前國際上已有的檢測裝置的測量時間。目前國際上已有的檢測裝置是單矽油缸結構，本測量裝置採用雙矽油缸結構，當完成一組樣品的測量後，更換一個矽油缸可立刻開始第二組LED 的檢測。本測量裝置在每一個測量溫度點測得的溫度和LED 正向電壓降後，導入到資料庫並由編制的軟體生成VfTJ 曲線。 （4）照明LED 結溫測量及利用VfTJ 關係曲線指導光、色、電參數的測量 得到被測 LED 的VfTJ 的曲線後，最重要的是用於定結溫條件下的光、色、電參數測量。檢測系統見圖1。把被測LED 固定到帶控溫/恒溫基座的積分球內，給LED 通以工作電流，給LED 燃點1520 分鐘基本達到穩定後，快速切換到測量電流（即前面標定VfTJ 曲線的測量電流）用數毫秒時間快速測定被測LED的正向電壓Vf，通過與VfTJ 曲線中設定結溫值對應的Vf 比較，如與目標值有差異，控制程式將自動調整恒溫基座的溫度來使LED的正向電壓Vf達到目標結溫值對應的結電壓。在快速測定Vf 後，裝置將自動回復使LED 通以工作電流的狀態。當被測LED 在通過工作電流的情況下，其結溫達到目標值（即達到目標結溫值對應的Vf 值）且熱平衡後，系統將自動啟動光譜儀測量光、色參數同時讀取其電參數。 上述測量方法最明顯的優點是，在LED 實際的應用中，只要照明器具中LED工作在目標結溫值附近，用這一方法參數有很好的模擬性，也使它的這些所測量的參數變得有意義，並且其光、色、電參數也具有很好的測量結果的重現性。 圖1 LED 結溫測量及利用VfTJ 曲線在設定結溫條件下的光、色、電參數測量系統 三、 LED 進入照明器具後結溫的測量 1、LED 進入照明器具後結溫控制和測量的必要性 LED 應用到照明器具中時，人們普遍希望具有幾萬小時的使用壽命，但是要測量採用LED 的照明器具的光衰減和壽命，按照美國DOE 的LM80 要求往往要化300 天以上的時間（6000h），這在很多工程招標和驗收時是無法實施的。 結溫作為衡量一個 LED 照明器具性能優劣的重要參數，是LED 照明器具在工程應用中可靠性測量的核心要素。如果能準確測量出燈具內LED 的PN 結結溫和PN 結到散熱器某一指定點的熱阻這兩個定量的指標，就不僅能衡量採用LED 的照明器具散熱特性的優劣，還能定性地知道各種採用LED 的同類照明器具的大致使用壽命，另外還能得知LED 照明器具的光效和其他光參數的測量值是在什麼結溫條件下測得的，並且能得出照明器具中功率型LED 熱沉上的某一