一种间接的LED结温测量的方法

苗雨桥 李响

(北京铨富科技有限公司 北京 100102)

1 前言

LED照明作为新一代理想的绿色光源，目前已经逐步从高端的景观照明，工程应用渗透至普通的商用照明甚至民用照明中，与此同时由于各国各地针对环境的保护要求日趋严格，各国政府已经陆续颁布了废止普通白炽灯的时间表，这更加剧了LED照明普及的速度。由于LED照明不仅是绿色节能的新技术可以迅速看到由于节能所带来的经济回报，更因为LED本身的技术特点，相比其传统照明有长寿命的优势，这样更凸现了LED照明的环保特质。但是由于市场上LED的上游芯片供应良莠不齐，同时下游产品设计阶段的成本压力，导致很多产品设计没有条件考虑产品的寿命，这主要是因为LED产品寿命的测量和估算需要比较复杂的测量手段，产品设计阶段往往由于测量手段的不当，不能真实的了解产品的实际寿命。本文正是针对LED的寿命估算的关键参数LED结温的测量的一种方法的改进，从原理上分析了LED的正向电压和LED结温的映射关系，将复杂的直接温度测试转化为简单的电压测试，提高了测试的可操作性，降低了复杂性。

2 LED 发光原理

LED (Light Emitting Diode),发光二极管，是一种固态的半导体器件，其主要作用就是将电能转化成光能，其发光过程包括三个主要部分：(1)正向偏至电压下的载流子注入，在正向电压的作用下，其N极中带负电的电子移动到带正电的空穴区域，并且与之复合；(2)由于电子与空穴的结合，同时伴随光子的产生，在PN结填充不同的激发材料，利用填充材料的带隙，可以控制光子的波长，而光子的波长又同光的颜色有对应关系，所以不同材料就会有对应不同的颜色的光产生；如图1；3，光子产生后悔进一步激发外部封装的荧光材料，对应将光的频谱和能量产品另外一次变化，产生可见光，如图2。目前比较成熟的白光LED技术是由日亚化学发明的利用InGaN产生蓝光，同时激发黄色的YAG荧光粉来得到同自然光接近的白光。在这个电光转换过程中会伴随有热的产生，这对工程应用有很多不利影响。

3 LED节温直接测量方法

虽然LED被业界内外认为是绿色的光源，但实际上其在发光的同时依旧会伴随有大量的热量产生，依照目前业内已经量产的产品，芯片的光效一般维持在90-100lm/w左右，而实际产品通常在70-80lm/w范围。LED的发热对于LED的寿命是一个致命问题，所以在LED产品设计中，需要严格控制LED的发热进而来保证寿命；通常的做法是通过对LED结温的测量，利用TM21的推算方法来估算LED产品的寿命。这就引申出对LED结温的测量这一问题。图3是白光LED的内部剖析图，理想的LED结温测量方法是将温度传感器尽可能的靠近PN结处，即LED的热源处，这是由于一般温度传感器的体积会比被测量体（LED的PN结）体积大，这样就增大了系统的热容值，增加测量误差，同时由于受到实际操作的局限，在产品应用中我们很难完成以上提到的测量；通常的做法是LED的芯片供应商会根据自己的材料，工艺以及相对大量的测试结果，给出一个LED的PN结到LED焊盘的一个热阻参考值R，用户只需要测量LED焊盘的温度，通过公式1；推算出LED的结温。

但这种做法有一些局限性，最直接的问题就是LED热阻参考值的精确性，通常的LED供应商会给出一个针对这个参数的一个参考范围，而往往这个范围是十分宽泛的，甚至有最小值与最大值相差仅2倍的情况（某型号LED的规格书中热阻一项的参考值最小为17/W，最大为40/W）,这就严重影响设计者的判断。

4 LED正向电压与节温的物理关系

半导体物理学中有关PN结的研究可以得出PN结的正向电流 与正向电压 满足以下关系：

式中：e为电子电荷量、k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度， 为反向饱和电流，它是一个与PN结材料禁带宽度及温度等因素有关的系数，是不随电压变化的常数。由于在常温（300K）下，kT/q=0.026,而PN结的正向压降一般为零点几伏,所以上式括号内的第二项可以忽略不计,于是有

经过初等数学变换可得V 与T有线性关系如下：

同时大功率LED，在工作时额定电流很大，这时欧姆接触引起的压降就不能被忽略，所以最终V与T 的数学关系可以表示为：

其中 M是线性函数的斜率，其单位为/V，与正向电流有关，但小范围内可忽略，N是线性函数的对零偏移，单位是 ，与正向电流有关。

目前一些大型的设备供应商，依照此原理完成的设备，通常需要脉冲式测量，其目的是为了避免由于长时间通电发热而导致的V 值得下降；从而得到一个纯粹的V与T 对应关系；但是这在应用中并不实际，因为实际应用中由于LED本身发热而导致的V 下降是不可避免而且是需要重点考虑的。

5 实测内容以及结果

为保证测试数据对产品设计有指导意义，本文推荐的试验尽可能的同实际产品的应用环境所一致。首先将LED芯片其焊接到一个近似为无穷大的散热器上（相对其功率范围），将LED两端通以恒流源驱动，并将其放置于一个温度可控的恒温无空气对流的装置中，并将温度传感器安装于散热器上距离LED远近不同的位置上。控制正向驱动电流，控制恒温装置的温度；监视直至不同位置的温度传感器温差很小（本次试验约定为0.2，证明在实际应用中T与T已经达到一个平衡状态）同时温度传感器相对时间变化也很稳定；记录下对应的V值，然后依次改变恒温装置温度重复试验内容；待完成一个电流值后再依次循环测试不同电流值得表现，绘制成表格。此方法有利于设计者结合实际产品的情况，只需要测量LED两端的实际工作电压，以及对应的设计电路，通过对应所绘制的表格来判断产品的T 值，进而推算产品寿命。本文选取了国际上某知名品牌的一款常见的功率型白光LED，其正向电压为近似6V（内部是2个PN结串行连接）。依照以上描述的试验内容，绘制表格和曲线如图4、图5。

6 结论

本文从LED的发光原理分析开始，介绍电光转换中热量的不可避免，同时介绍了当前应用较广泛的直接式结温测量方法了以及它在产品设计应用中的一些缺陷，随后本文详细的阐述了关键物理量之间的关系，并提出了结合实际产品的试验方法，数据表明，本方法在LED的应用产品中是有效的。

[1]Jason Chonko, Using Forward voltage to measure semiconductor junction temperature.Keithley instrument, Inc, 2005

[2]李炳乾,布良基，甘雄文，范广涵， LED正向压降随温度的变化关系研究.光子学报 Vol.32, 2003