LED热阻特性的电学测试系统

李 海,肖鑫龙,刘雪峰,罗 钦,刘毅冰,熊永红

(华中科技大学a.物理学院;b.光电子科学与工程学院,湖北武汉430074)

LED热阻特性的电学测试系统

李 海a,肖鑫龙a,刘雪峰a,罗 钦b,刘毅冰a,熊永红a

(华中科技大学a.物理学院;b.光电子科学与工程学院,湖北武汉430074)

1 引 言

依据LED电学温度特性和热阻理论,搭建了大功率LED热阻测试平台.该平台可对特定型号的大功率LED进行温度特性和热阻测试,采用自控技术进行数据采集和分析,使热阻值测量便捷、高效、准确.

LED;正向压降;热阻;LabV IEW

功率型半导体LED由于其亮度高、功耗低、节能环保,易驱动,可靠性高等特点,已经广泛应用于交通和建筑照明、电视显示屏、各种背光源和仪器仪表的显示器.随着能源供需日益紧张,LED必将得到进一步的推广[1].然而,LED光电转化率较低,大部分电能转换为热能.随着功率提高,LED热效应越发显著,直接影响了其发光效率、波长、正向压降以及使用寿命等[2].因此,研究其导热性能及测量方法具有重要意义.

LED作为半导体器件,主要以热阻来衡量其热学性能[3],准确的热阻值可以用来进行产品之间的横向比较,同时还可以用以分析不同散热材料和产品封装结构的导热性能.

本文根据LED的电学和热学特性的对应关系,运用测控技术构建自动测量系统,实现了LED热阻值准确、快速测量.

2 测试原理

2.1 热阻定义及主要测量方法

热阻定义为沿器件热流通道上的温差和通道上的热耗功率之比[4].对LED而言,通常取芯片PN结区和散热区之间的温度差和LED所消耗的热功率之比.

本文利用LED的PN结结点温度与电学参量密切相关的特性,可以在不改变LED结构的条件下得到较为准确的热阻值,因具有快捷准确的特点,故获得了广泛的应用[1].

2.2 LED电学温度特性测试原理

由半导体理论,可得:式中,UPN为结电压,γ通常为3左右的常数,k为玻耳兹曼常量,q为电子电量,Eg是禁带宽度,T是温度.

对GaN本征半导体,Eg=3.44 eV,当电流为0.1,1,10,100,300 m A时,通过上式计算电压与温度特性曲线如图1所示.

图1 温度与电压特性曲线

实验中,主要研究温度为350～500 K的大功率LED温度电压特性,由图1可知在这个范围内,电压和温度呈较好的线性关系,并且电压随着温度升高而下降.

实际测量中,PN结面的温度 TJ是最高的,将大功率LED封装散热面与热沉(散热片)紧密接触,并且将LED与热沉置于恒定的温度 Ta的半导体制冷散热片中,从PN结到散热片表面的热阻为

其中ΔTJ为PN结两端的温度差,PH为LED正常工作时的热功率,TA是散热面的温度,由半导体制冷片进行温控[5],IH是通过LED的电流,VFH是LED两端的电压,Pf为发光功率(由PM S-80紫外-可见-近红外光谱分析系统测量).

利用上述小电流作用下,电压和温度的近似线性关系,即

完成对 TJ的测量.其中,K是温度随电压变化的系数.做出温度与电压的特性曲线,即可以得到K值.

测量 K值时,给LED通一微小电流,并且将其放在温度随时间缓慢变化,且温度分布均匀的环境中,通过计算机采集其温度和对应的PN结两端电压,并对数据进行拟合,得到近似直线的斜率,即得到 K值.

对于热阻的测量,利用已经求出的线性关系,通过在微导通模式和正常工作模式下的电压差,即可得到PN结两端的温度差,并利用正常工作时的电压电流,便可得到所求热阻.

简化测试原理电路如图2所示.

图2 简化测试原理电路

图2中 IM(10μA量级)的取值使得二极管刚好导通,产生的热效应最小(可以忽略不计),IH(100 m A量级)则是表示正常工作状态时较大的电流,LED产生明显发热升温现象.先将开关置于1处,当系统稳定之后,测出二极管两端的电压VF1;然后将开关置于2处,待LED加热一段时间后,开关迅速切换至1,记下此时的电压VF2.结点电压就可以通过下面两式来确定:其中 TJi就是热沉的温度.

2.3 测试系统

测试系统是基于LabV IEW图形化虚拟仿真仪器与FPGA嵌入式系统构架结合的智能化多功能双界面测试系统.LabV IEW通过V ISA串口与FPGA进行数据通信完成多形式控制,如图3所示.

图3 测试系统结构示意图

根据以上原理,热阻测试系统需提供稳定的1μA级至1 A级电流,室温至400 K的加热设备以及温度测量系统.

设计测试电路的难点是在周围各种外界干扰(电磁干扰、热梯度干扰、声音振动干扰)中,将微安级微弱电流稳定.

根据实验要求,设计了恒流电路[6-7].

由采样电阻(RJ711)与精密仪用放大器(INA 114)构成负反馈回路,如图4所示.

图4 采样电阻信号反馈示意图

反馈电阻与LED串联,利用INA 114极低的nA级INPU T B IAS,在不对串联通路造成明显电流影响的前提下,将采样电阻上的电压与20位DAC1220产生的电压信号进行比较,电压差经过仪用放大器和二级放大器放大加在采样电阻与LED串联回路上,可看作串联回路的电源,其极性成负反馈.同时为控制二级放大器的噪声密度,温漂等因素,小电流部分采用OPA 2227作为二级放大器,而大电流部分采用功率单片运放OPA 541作为二级放大器.

电路采用对称式设计(图5),将LED两端电压都控制在零电势附近,便于电压信号采集,减小共模,减小恒流回路漏电,减小温漂造成的共模变化.这种对称设计配合若干继电器的控制,可方便使电压反向,实现LED极性的自适应,即由系统通过LED两端的电压变化,自动识别极性.电源经过线性稳压芯片和多级无源滤波的处理,仍可能带有一定纹波噪声,因此采用运算放大器的POWER SUPPLY REJECTION减小电源噪声带来的影响,减小了恒流源串联通路上一端直接接入电源所引入的噪声影响.

图5 恒流回路对称设计驱动电路

对于电路的交流干扰和自激,由相移较大的二级放大器构成滤波和频率补偿,通过调节控制滤波电容的比值,实现零相移情况下的低通滤波.

3 实验系统测试结果

3.1 K值测定

实验采用LED的功率为1 W,额定电流为350 m A,加热设备为恒温箱,测温精度为0.1℃,加热范围为80～130℃.

为探究在较宽范围恒定电流通过时,LED正向压降与温度的关系,分别在0.1,0.5,1,5,10,20,50,100,150,200,250,300,350 m A的电流作用下进行数据采集.部分所得数据如图6所示.

由图6可知,实验所研究的大功率LED在较大电流范围内,电压与温度呈较好的线性关系,根据线性拟合R2≈0.98,部分曲线 R≈0.999 9,与理论模拟吻合得很好.但是观察到所测电流值整体小于理论预测,这是由于理论计算中采用了GaN本征半导体的禁带宽度 Eg=3.44 eV,而实际掺杂的二极管半导体材料的禁带宽度略小于本征半导体的禁带宽度,因而实际测量的电压值略低于图1所示的理论电压值.

图6 大功率LED温度与电压曲线图

3.2 热阻测量

由以上分析所得数据,将固定电流与电压以及此时对应的结点温度和温度数据与光功率代入热阻公式(2)进行计算.

实验中,在10μA,40～100℃温度范围测试,数据结果进行线性拟合得:

相关系数:R2=0.991 3,可见其线性相关性较好.将散热基片与积分球结合,测得数据如表1～2所示,通过式(2)可求得热阻R=26.3℃/W,这个值与文献[1]上的热阻值大致相等.

表1 0.35 A大电流稳定状态时测量数据

表2 回到0.01 m A小电流时测量数据

4 结 论

本文通过LED电学温度特性与热阻理论,对大功率LED温度与电压特性进行了研究,通过理论计算给出了实验所用LED的理想情况下的特性曲线,根据实验特点设计并搭建了大功率LED热阻测试平台,通过实验对特定型号的大功率LED进行温度特性和热阻测试,实验与模拟结果基本吻合.该系统为大功率LED热阻测试提供了一种简便有效的方法.

[1]马志凌.大功率白光LED热特性研究与分析[D].广州:华南理工大学,2008:42-68.

[2]李炳乾,郑同场,夏正浩.GaN基蓝光发光二极管正向电压温度特性研究[J].物理学报,2009,58(10):7189-7193.

[3]彭浩,武红玉,刘东月,等.大功率LED稳态热阻测试的关键因素[J].半导体技术,2009,34(5):454-458.

[4]李志强,陆魁春,游开明.不良导体导热系数快速测定仪[J].物理实验,2004,24(10):20-22.

[5]郑乔,刘虎.半导体制冷及其在物理实验中的应用[J].物理实验,2008,28(2):30-32.

[6]李宏生,万德钧.一种高精度恒流源的设计与分析[J].光学精密工程,1996,4(6):87-94.

[7]陈凯良,兰树声.恒流源及其应用电路[M].杭州:浙江科学技术出版社,1992:50-510.

[责任编辑:郭 伟]

Electrical test system for thermal resistance characteristics of LED

L IHaia,XIAO Xin-longa,L IU Xue-fenga,LUO Qinb,L IU Yi-binga,XIONG Yong-honga
(a.School of Physics;b.School of Op toelectronic Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The thermal and electrical characteristics of LED w ere investigated,the measurement system took advantage of LabV IEW to collect data and conduct analysis,themeasuring efficiency,accuracy and convenience was imp roved.

LED;fo rw ard voltage drop;thermal resistance;LabV IEW

O472.2

A

1005-4642(2011)01-0039-04

2010-06-09;修改日期:2010-07-11

国家大学生创新实验计划重点项目(No.091048757)

李 海(1988-),男,四川成都人,华中科技大学物理学院应用物理专业2007级本科生.

指导教师:熊永红(1954-),女,江西南昌人,华中科技大学物理学院教授,从事物理实验教学和纳米功能材料的结构与物性研究.