基于驱动电流切变的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法

陈　军，林振衡，谢海鹤

(1.莆田学院 机电工程学院，福建 莆田 351100；2.现代精密测量与激光无损检测福建省高校重点实验室，福建 莆田 351100)



基于驱动电流切变的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法

陈军1,2*，林振衡1,2，谢海鹤1,2

(1.莆田学院 机电工程学院，福建 莆田 351100；2.现代精密测量与激光无损检测福建省高校重点实验室，福建 莆田 351100)

LED结温是表征其性能的关键参数之一，基于正向电压-结温关系进行结温检测被认为是目前最准确的方法。在研究了LED正向电压随结温变化关系的基础上，通过小电流驱动LED监测正向电压法检测结温平衡以获取结温的准确值，采用大电流触发连续采样获取结温变化前的大电流下正向电压值，并对其线性拟合，从而获得大电流下的LED正向电压-结温关系式。应用该方法对同一LED不同电流和不同LED同一电流的正向电压-结温关系进行多次检测，实验结果表明：拟合得到的正向电压-结温关系式准确、可重复性高，K值的相对标准偏差小于0.7%，结温计算的不确定度估计值小于0.5 ℃。该方法为基于正向电压法的结温精确检测提供了一种新的参考。

正向电压-结温关系；大电流；高速采样；线性拟合

随着对大功率LED制造技术研究的不断深入，其输出的光功率和发光效率不断提升[1-4]，目前已被大量应用于显示、装饰、照明、汽车车灯等领域[5,6]。大功率LED的广泛应用使得对LED各项参数、性能的检测成为研究热点。其中，结温是影响大功率LED各项性能的主要因素，受到广泛关注。在大电流下，LED结温升高，会导致量子效率降低、光通量衰减、发光效率下降、波长漂移、寿命减短等现象[7-10]。同时，LED的结温还是计算其热阻的重要参数之一，因此准确检测LED的结温具有重要意义。LED结温的检测方法有正向电压法、反向电流法、热阻法、红外摄像法、白蓝比法、相对辐射强度法等[10,11]，其中正向电压法被认为是目前检测LED结温最准确的方法[10,12]。而正向电压法检测LED结温的关键是先要获取被测LED的正向电压-结温关系式或标定正向电压-结温敏感系数K，进而通过检测结温稳定时的正向电压计算结温。目前，对正向电压-结温关系的测量主要有小电流法和脉冲电流法。利用小电流法获取的正向电压-结温关系式进行结温检测时，需要测量当LED从大电流切换到定标小电流时的正向电压值[10,13]，这对切换瞬间小电流的精度和正向电压值的读取提出了较高要求。利用脉冲电流法可以直接检测大电流下的正向电压-结温关系，进而通过该电流下稳态时的正向电压直接计算结温，但对于不同的被测LED需要确定合适的脉宽，同时对脉冲电流源的参数与性能有很高的要求[11]，这些都给检测带来不便。

本文提出一种基于驱动电流切变的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法。该方法通过在不同恒温环境温度下，将用于LED结温监测的恒流源小电流切变为大电流驱动，并高速采集切变后瞬间结温尚处于稳定状态的LED正向电压值，然后对其进行拟合，从而获得大电流下LED正向电压随结温变化的准确关系。

1　LED正向电压-结温关系及正向电压法检测结温原理

1.1LED正向电压-结温关系

多数情况下LED可看成由一个理想PN结和等效串联电阻Rs组成，当流过LED的正向电流为IF，两端正向电压为VF时，PN结电压Vfj表示为：

Vfj=VF-IFRs

(1)

根据Shockley二极管方程[9,14]，式(1)改写为：

(2)

式中I0为反向饱和电流，q为电子的电量，n为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。将I0与温度和能带宽度的关系式代入式(2)并整理可得[14，15]：

(3)

其中A表示与PN结材料、类型、尺寸、掺杂等有关的系数，EG(0)是温度为绝对零度时的能带宽度，β是温度系数。当IF为恒流时，式(3)变换为[14,15]：

(4)

在IF一定的条件下，对于同一个LED，若等效串联电阻Rs在一定温度范围内不变，那么等式右边可以看作常数，式(4)可简化表示为：

(5)

式中K即为正向电压-结温敏感系数。对式(5)进行积分变换可得在一定温度范围内正向电压-结温关系的一般表达式：

VF=KT+V0

(6)

式(6)中，T表示LED的结温(单位为℃)，V0表示T=0 ℃时的正向电压，VF表示结温为T时LED的正向电压。可以看出，在一定温度范围内LED正向电压与结温之间呈线性关系。

1.2正向电压法检测结温原理

目前，对正向电压法检测LED结温的运用主要是基于小电流K系数法[10,13]。其基本原理是：用一个定标小电流驱动LED，分别对LED在不同结温时的正向电压值进行检测，从而获得该被测LED在定标小电流下的正向电压-结温敏感系数K或正向电压-结温关系式。通过测量被测LED在结温稳定时从大电流切换到定标小电流瞬间的正向电压，并结合正向电压-结温敏感系数K和定标过程中某一基点的正向电压、对应结温求出当前结温。

2　基于驱动电流切变的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法

2.1方法概述

通过恒流小电流监测LED结温稳定，切变大电流瞬间提取结温尚处于稳定状态的正向电压值。设定不同结温，获取一组测量温度范围内被测LED正向电压及相应结温的数据，对其进行线性拟合，从而获得大电流下被测LED的正向电压-结温关系式。检测实验原理图如图1所示，Is为监测小电流(本实验中采用1 mA)，IF为恒流大电流，其设定值为欲测试的LED在某大电流下的正向电压-结温关系，数据采集器用于高速采集LED驱动电流从监测小电流向大电流切变瞬间其正向电压的变化数据。

图1　检测实验原理图

2.2具体方法

将被测LED置于恒温箱中，设定恒温箱的温度为欲测试的第一个温度检测点。通过恒流小电流Is与电压表监测LED结温是否已达到平衡。当温度计上的读数不再变化，电压表上的测量值稳定不变(2 min内变化小于1 mV)，说明此时被测LED的结温与周围环境的温度相同，将此时温度计的测量值作为LED的结温。

将LED的驱动电流从监测结温平衡的小电流Is切变为测试大电流IF，通过数据采集器快速采集(数据采集器设定在上升沿触发采集状态)接通IF瞬间LED正向电压的变化数据。对采集得的数据进行分析提取获得切变后瞬间结温尚处于稳定状态的LED正向电压值。

以上过程即获取了第一个温度检测点被测LED的正向电压与结温的对应值。在测量温度范围内，改变恒温箱的温度设定，按照上述方法，获取一组被测LED在同一大电流下，不同稳定结温时的正向电压，采用最小二乘法进行拟合便获得了被测LED在大电流IF时的正向电压-结温关系式，应用该关系式可进一步计算LED的结温。

采用正向电压法检测LED结温的一个要点是需要在相同电流情况下代入结温稳定时的正向电压才能求出结温。因此，与基于小电流法获取的正向电压-结温关系式相比，通过获取大电流下的正向电压-结温关系式求结温时，只需测量该大电流下结温稳定时LED的正向电压代入关系式即可求出结温，更为简便。

2.3IF接通瞬间结温尚处于稳定状态时LED正向电压的提取

大电流会导致LED的结温升高，不再等于其周围环境的温度，因此如何提取LED在驱动电流从Is切换至IF，其结温尚处于稳定状态时的正向电压值是检测大电流下LED正向电压-结温关系的关键。

图2所示为采集的IF=350 mA接通瞬间LED正向电压连续变化的曲线。观察图2(a)可以看出，LED的正向电压值从驱动电流切变为IF到采样结束已出现下降，那是由于大电流的自加热使LED结温升高，正向电压降低。观察图2(b)的细节图可以发现，LED正向电压的平均值下降了约6 mV(数值由采集导出的数据计算获得)。但是，通过观察图2(c)、(d)可发现，LED正向电压达到最大值后的很短时间内(15～50 ms)正向电压的平均值并未出现下降，说明此时还没有出现结温升高正向电压降低，可以认为此时正向电压的平均值为被测LED在结温等于切变大电流前的结温，IF等于350 mA时对应的正向电压。测试过程中将20～30 ms期间采集的1000个数据的平均值作为接通IF，结温变化前的正向电压。

图2　IF接通瞬间LED正向电压连续变化曲线

3　实验结果及分析

为了对所提出的基于驱动电流切变的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法的正确性进行验证，以市场常见的大功率白光LED为测试对象，应用该方法对同一LED在大电流分别等于180 mA、350 mA情况下的正向电压-结温关系进行重复检测，对同一批次共五个LED样品在大电流等于180 mA时的正向电压-结温关系进行检测，检测的结果及分析如下。实验中使用的数据采集器分辨率为16位，设定为上升沿触发采集，采集速率100 k/s，连续采集15万个数据。

3.1IF=180 mA时LED正向电压-结温关系检测

(1)正向电压-结温关系的拟合

在IF=180 mA时，对被测LED的正向电压-结温关系进行了六次重复测量。其中两次测量得的LED正向电压随结温变化的规律以及采用最小二乘法进行线性拟合的结果如图3所示。从图中可以看出，在测试温度范围内被测LED的正向电压-结温关系表现出良好的线性，即正向电压-结温敏感系数K可以看作常数。

(2)测量拟合结果分析

全部六次重复测量拟合得的LED正向电压-结温关系式和决定系数R2如表1所示。

表1　IF=180 mA时六次测量的正向电压-结温

图3　IF=180 mA时正向电压-结温关系拟合结果

对比表1中数据可以看出，在该电流下，通过检测数据拟合得的LED正向电压-结温关系式表现出高可重复性，拟合得的K的相对标准偏差小于0.6%。全部六次测量拟合结果的决定系数R2非常接近于1，因此可以认为在测试温度范围内被测LED正向电压随结温变化的关系等同于拟合得的关系式。该结果也证明了与PN结类型、掺杂浓度、材料等有关的系数以及LED的等效串联电阻在一定温度范围内可以看作常数的结论[13,14]。

(3)结温计算不确定度的分析

以表1中通过第一次检测数据拟合得到的正向电压-结温关系式为例，对代入LED正向电压VFn，计算结温Tjn时的不确定度进行估计。根据单次反预测值x的不确定度计算公式[16]：

(7)

式(7)中，y对应正向电压，x对应温度，b表示斜率，本试验中n=8，Sy表示正向电压观测值的方差，Ux为单次反预测值x的不确定度。当y取被测LED结温等于115 ℃时的正向电压估计值，并把有关数据代入式(7)可计算得结温Tj的不确定度为0.43 ℃。

3.2IF=350 mA时LED正向电压-结温关系检测

为进一步证明所提出的大电流下LED正向电压-结温关系检测方法的可行性与准确性，对IF=350 mA时的LED正向电压-结温关系进行了重复测试，结果如图4和表2所示。

图4　IF=350 mA时正向电压-结温关系拟合结果

次序正向电压-结温关系拟合结果VF(mv),T(℃)决定系数R21VF=-0.9254·T+3032.80.99862VF=-0.9348·T+3032.20.99533VF=-0.9204·T+3031.40.99524VF=-0.9336·T+3033.00.99475VF=-0.9368·T+3032.60.99336VF=-0.9252·T+3031.50.9961

对比全部六次测量线性拟合得的关系式可以看出，所提出的检测方法在该电流下的测试结果表现出相似的可重复性，拟合得的K的相对标准偏差小于0.7%。此外，拟合得的关系式表明，由于测试电流的增加，关系式中第二项的值有所增大，这与理论相符；同时随着电流的增加，正向电压-结温敏感系数K的绝对值减小，这与文献[14]的研究结果吻合。

3.3同批次不同LED正向电压-结温关系检测

从同批次LED中随机再抽取四个，对IF=180 mA时的LED正向电压-结温关系进行检测，共五个被测样品的测量拟合结果如表3所示。

表3　IF=180 mA时同批次不同LED正向

表3中的数据显示，对于同批次的五个被测LED，正向电压-结温关系拟合结果之间的一致性比同一个LED重复测量拟合结果之间的一致性略差。但是，由于同一批次的LED芯片材料、PN结类型、几何尺寸、掺杂浓度、封装工艺等具有较好的一致性，所以在一定温度范围内正向电压-结温关系的拟合结果仍表现出良好的一致性，这与文献[13]的研究结果一致。检测结果同时还表明，所提出的直接检测大电流下LED正向电压-结温关系的方法不仅适用于不同大电流情况下正向电压-结温关系的检测，同样也适用于对不同LED的正向电压-结温关系进行检测。

4　结论

基于正向电压法检测LED结温的基本原理，提出了一种驱动电流切变的直接测量某大电流下LED正向电压-结温关系的方法。利用该方法进行实验，结果表明：该方法可重复性高，获取的正向电压-结温敏感系数K的相对标准偏差小于0.7%，拟合得的正向电压-结温关系式准确，计算结温的不确定度的估计值小于0.5℃；在测量温度范围内，K值具有良好的线性，同批次LED的K值具有良好的一致性，与理论相符。该方法为采用正向电压法检测LED结温提供了一种新的参考。

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(责任编辑：曾晶)

A Method of Detecting the Relation between Forward Voltage and Junction Temperature under High Current Based on Changing Driving Current

CHEN Jun1,2*, LIN Zhenheng1,2, XIE Haihe1,2

(1. School of Mechanical & Electrical Engineering, Putian University, Putian 351100, China；2. Key Laboratory of Modern Precision Measurement and Laser Nondestructive Detection, Colleges and Universities in Fujian Province, Putian 351100, China)

LED junction temperature is one of the key parameters to represent its performance. The method of detecting junction temperature based on the relation between forward voltage and junction temperature is considered to be the most accurate one. After studying the changing relation between forward voltage and junction temperature，a method for testing the balance of junction temperature by monitoring LED forward voltage under small driving current was used to get accurate junction temperature, a method of high current triggering continuous sampling was adopted to acquire the forward voltage under high driving current without junction temperature changing. Then the equation representing the relation between LED forward voltage and junction temperature can be achieved by linear fitting the different forward voltage at different junction temperature. By using the method, relations between forward voltage and junction temperature of same LED different current and different LED same current were detected for several times. The experiment result shows that the linear fitting equation has high accuracy and repeatability. The relative standard deviation of factorKis less than 0.7% and the uncertainty of calculated junction temperature is less than 0.5℃.The method provides a new reference for precision measurement of junction temperature based on forward voltage method.

forward voltage-junction temperature relation; high current; high-speed sampling; linear fitting

1000-5269(2016)02-0079-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.02.18

2016-03-15

福建省科技重点项目(2013H0039)；福建省教育厅科技项目(JA15457，JA15439，JA13277)

陈军(1981-)，男，讲师，硕士，研究方向：LED检测技术、电子技术应用，Email:cj_sfe100@163.com.

陈军，Email：cj_sfe100@163.com.

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