基于LabVIEW的大功率LED温升测试及研究

黄远鹏 陈德为 庄煜祺

(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108)

1 引言

随着经济的发展，传统能源在世界范围内已被大量消耗，开发新能源，发展可再生能源技术已成为世界各国可持续发展的重要途径。自1962年第一支商用发光二极管 (LED)的出现，人们开始关注这种小巧的固体光源，因为与其他光源相比，它具有无污染、寿命长、耐振动和抗冲击的鲜明特点，已经广泛应用于各种指示、装饰和屏幕背光源等。近十几年，由于大功率白光LED的研制成功，使得它在照明市场的前景备受全球瞩目，它必将成为21世纪的新一代照明光源［1，2］。

然而，目前大功率LED在照明领域没有广泛普及，原因除了价格成本高以外，另外一个限制LED发展的技术瓶颈是散热问题［3］。在LED的输入电功率中，有超过60%的能量转化为热量，使得LED的结温升高［4］。如果不能快速地将PN结的热量散发出去，将影响到LED的照明度和使用寿命［5］。因此，有效的热管理能够提高LED使用性能，而准确测量和快速预测LED的温升将有助于合理设计热管理。

2 测试系统设计

本系统测量对象为1W白光LED，在300mm积分球内，环境温度在27℃ ～28℃，相对湿度为35%～45%，分别测量LED在150mA～550mA驱动电流下基板温度、光电流和LED两端电压降。

测试系统将非电量转换为电量，经数据采集卡，通过USB传输到上位机进行数据的读取、显示、处理与存储。

2.1 硬件设计

图1为系统测试硬件框图，包括单片机控制的LED驱动恒流源，温度传感器和光度探测器的信号调理电路，数据采集卡和计算机等。

图1 测试系统硬件框图Fig.1 Block diagram of testing system hardware

1)LED驱动电源设计

对于LED驱动电源，大部分都采用恒流源驱动。因此，本文采用单片机控制，设计了可控恒流源驱动电路，并通过单片机串口实现与计算机通信。驱动电路框图如图2所示。其中DA转换器和AD转换器分别采用12位串行数模转换器MAX539和12位串行模数转换器MAX1241。

图2 恒流源电路框图Fig.2 Block diagram of a constant current source circuit

2)信号调理电路设计

温度传感器采用AD590，在－55℃ ～+150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃;光度探测器是硅光电二极管，光谱光视效率f＜5%，两者输出量都是电流型，需要进行I/V转化，通过放大电路，将输出电压量调整到一个数据采集卡能够采集到的合理范围内。

3)数据采集卡

本系统数据采集卡采用的是由北京中泰公司的USB7325A型光电隔离型模入数据采集模块，系统最高采集速率为250kHz/s，16路单端或8路双端模拟输入通道，12位分辨率，其A/D转换启动方式可以选用程控触发、外部触发两种方式，16路TTL电平的数字量输入和16路数字量输出接口和3路16位字长的计数/定时器，以及1MHz的基准时钟。本文所需测量的量有温度传感器和光度探测器经信号调理电路所得到的两个电压模拟量，以及采用仪器放大器电路测量的LED两端电压差模拟量。

2.2 软件设计

系统上位机设计采用LabVIEW软件。LabVIEW程序是采用图形化编程语言编写程序的，程序运行是以数据流形式执行的。LabVIEW具有庞大的库函数，包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及存储等，能完成任何编程任务。本文中上位机采用LabVIEW软件控制数据采集包括采样通道、采样频率和触发方式等，实现参数采集任务。图3为LabVIEW测试面板。

图3 LabVIEW测试面板Fig.3 LabVIEW test panel

对于程序框图设计，采用叠层顺序结构设计，调用数据采集卡的动态链接库 (DLL)，以完成采集卡的打开、采集、关闭等操作。程序分为四帧，第一帧为打开数据采集卡，清除错误标志;第二帧为串口通信设置;第三帧为数据采集、曲线绘图和存储，如图4所示;第四帧为清除采集卡错误标志位，关闭数据采集卡。

3 测试数据分析与处理

图5为系统采集得到的LED基板温度、光输出、LED电压降数据。从图5中可以看出，随着LED点亮过程，基板温度逐渐升高，LED的光输出和两端电压降也随之降低。在过100s～200s后，三者的变化变缓，逐渐趋于平衡状态。

图4 第三帧程序设计框图Fig.4 Block diagram of the third frame program design

图5 LED温升、光输出和两端电压降采样数据Fig.5 Sampling datas of LED temperature rise，light output and voltage drop

图6 实际光电流与输出电压数据及曲线拟合Fig.6 Datas of actual light current and output voltage and the fit curve

图7、图8、图9分别为350mA驱动电流下，LED的温升曲线，光电流变化曲线和LED电压曲线。三者的变化规律基本一样，因此可用相同的曲线拟合方法进行曲线拟合。通过分析，以自然对数e为底的指数函数进行曲线拟合，利用Matlab的曲线拟合工具箱，函数模型 f(x)=aebx+cedx，a、b、c、d为待求系数。拟合后，温度曲线的吻合度R值为0.9946，光电流曲线的吻合度 R值为0.9902，电压曲线的吻合度R值为0.9823，并通过计算得到相应的函数模型的系数，该函数模型能够较为准确地反映出曲线变化规律。这对于LED使用寿命长，测试时间长等特点，找到一种准确的函数模型并基于该模型将有助于快速预测LED的温升和使用寿命等情况。

图7 LED温升曲线拟合Fig.7 The fit curve of LED temperature rise

图8 LED光电流与时间曲线拟合Fig.8 The fit curve of LED light current and time

图9 LED电压降与时间曲线拟合Fig.9 The fit curve of LED voltage drop and time

本文还对LED在不同驱动电流下和有无散热片等情况测试了其温升曲线。图10为不带散热片的LED在不同驱动电流下的温升，跟前面分析一样，温升曲线规律基本一致，驱动电流越大，LED的温升也越大。从图11可以明显看出，带有散热片的LED可以大大改善LED的散热，降低LED的温度。

4 小结

图10 不同驱动电流下LED温升曲线Fig.10 LED temperature rise curve of various drive current

图11 有无散热片LED温升曲线Fig.11 LED temperature rise curve without heatsink

本文通过设计了测量LED的温升、光电流和两端电压的测试系统，分析采集得到的数据，采用曲线拟合方法，找到了与LED温升曲线、光电流曲线吻合度较好的数学函数模型，函数模型为f(x)=aebx+cedx。由于LED使用寿命长，测量时间长等特点，通过数学函数模型，可以快速预测LED使用过程的温升及使用寿命等情况。因此，本文后续工作将在于验证该函数模型的准确性，并能否准确地对LED使用情况进行可靠的预测。

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［6］郭伟玲，王晓明，陈建新，邹德恕，沈光地.LED结温的测量方法研究 ［A］//海峡两岸第十四届照明科技与营销研讨会论文集［C］.海峡两岸第十四届照明科技与营销研讨会，2007，208～215.

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