脉冲注入式功率型LED热特性测量系统研制

第一章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义
本课题来源于国家自然科学基金项目：脉冲注入式功率型LED热学特性及其检测技术（NO: 61102030)。LED 是Light-Emitting Diode 的缩写，即发光二极管的简称。LED能把电能转化成光能，而且发光效率比传统的鹤丝白炽灯和氦氖突光灯等要高出许多，同时其为一种新型的固态冷光源，还具有寿命长、电压低、结构简单、体积小、坚固耐用、响应速度快、成本低和光谱全彩等诸多优点，使得它在生产生活中得到了极其广泛的应用[1]。尤其是在节能环保方面，LED照明比起传统照明方式有明显的优势，预计在照明领域将逐步取代现有的白炽灯和焚光灯，得到全面的推广和应用[2]。
作为照明光源，LED半导体照明产业链中的各个环节的技术水平共同决定了产品的最终性能和应用。如高效能发光材料的研制，芯片的制造工艺，器件的封装技术，生产过程中的测试技术等都构成了至关重要的影响[3]。其中的测试技术更是直接影响了研发、设计和生产的各个过程。测试技术和测试设备的先进程度影响并间接决定了我国LED生产的能力和水平，关系到我国照明技术的推广和发展[4]。
当前，大功率LED作为半导体照明产品的主力军已被全面应用于生产生活的各个方面。但由当前的材料、封装和工艺等技术水平所限，大功率LED器件输入电功率中只有大约20?30%的能量转化为发光功率[5]，很大部分的能量都转化为了热能，因此功率型LED的散热问题非常突出，发热严重影响其整体的性能和效率，这也是目前其在通用照明领域存在的最大技术难题。当LED耗散功率上升时，芯片的PN结温度就随之上升，导致PN结的发光特性和电学特性发生显著变化，器件各方面的性能将受到严重的影响。因此功率型LED的散热设计和热特性参数检测异常重要[6]。
结温和热阻是衡量LED热特性的最重要指标之一，如何准确测试其结温和热阻以及由之进行合理的散热设计是提高LED整体性能的关键因素，也是LED器件封装工艺和应用设计须首要解决的核心问题[力。本文从LED热学特性的理论出发，介绍了LED结温对器件的影响，分析了Lm)的热阻结构模型及测量LED结温和热阻的两种不同方法，并根据测量原理研制了一套测量系统。为LED热学特性研究提供了一套可行性的测量系统方案。
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1.2国内外研究现状
随着电子技术和计算机技术的发展，以及各种测量原理和测量技术的进步，LED器件特性参数的测量准确度达到了很高的水平。但伴随着器件外延技术、芯片技术和封装技术的不断改进和发展，对其各项特性参数测量的要求越来越严格，精度也要求越来越高。目前LED测试领域发展出多种不同的方法测试器件的结温和热阻，主要有电致和光致发光法[8，9]、红外热成像法[10]、微型温度传感器测量法[11]、显微拉曼光谱法[12]、管脚温度法电学参数法[15，16，17]等，其中应用最为广泛的是电学测试方法。
电致和光致发光法是基于LED光谱的峰值波长随结温变化而发生相应偏移的关系，经过校准之后，获得峰值波长与结温关系曲线，进而可以推算出不同峰值波长条件下器件的结温。AlGalnP材料的峰值波长随结温升高而线性红移，而InGaN材料存在极化效应，峰值波长与结温关系为非线性关系，且变化范围小，电流增大结温升高，其峰值波长先蓝移后红移。因此，该测试方法应用范围具有局限性。
红外热成像法测量LED结温，是利用热福射原理，不同温度会福射出不同波长的红外光，由热像仪可以捕捉到不同温度呈现出的不同颜色，以此获得器件各个结构的表面温度。红外热成像法的优点是非接触式简单方便，可以获得不同结构和材料的热信息；缺点是只能测表面温度，要求被测的LED是裸露的或开封的，且测试仪器昂贵，精度较低。
微型温度传感器测量法使用了微纳米工艺制造的微型尺寸的温度传感器来测量结温。将微型传感器置于开封的LED芯片结构内部，可以实现对LED的PN结以及内部热沉和外壳等不同结构温度的直接测量，获得不同结构的精确温度信息，有利于对不同结构热阻进行较深入的分析。但是由于微型温度传感器不易制备，而且要将其准确置于LED芯片内部操作难度大，检测设备不易安置，可实施性不高，此种方法很难用于大规模的检测。
显微拉曼光谱法是利用拉曼散射谱中的谱线在不同温度下的移动量来测量温度变化。通过显微镜的光斑移动可测得某区域的温度分布。
管脚温度法是利用LED器件的热输运性质，因为管脚温度与正向电压和结温存在很好的线性关系，通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率，以及热阻系数来确定LED结温。管脚温度法的优点是其具有非破坏性、简易性和通用性。
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第二章LED热特性测量原理与系统方案设计

2.1脉冲法测量LED热阻原理
2.1.1 LED热学特性
LED的核心结构是半导体PN结。在外加正向电压下，空穴由P区注入N区，电子由N区注入P区，进入对方区域的少数载流子部分与多数载流子复合进而发射光子[25]。由于半导体材料和量子效应的限制，LED的发光效率不高，约70%以上都变成热能释放掉。热能导致了PN结结温的升高。LED结温升高时，输出的光强度将减小，结温对光输出影响表达式为[26]:

式中φV(τ1)、φV(τ2)表示在结温为乃和乃时的光通量输出，尤为温度系数，△T为T1-T2
结温升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，光的颜色将发生红移[27]。波长随结温变化关系如下：

式中λ(τ1)和λ(τ2)表示结温为和时的光波长，尺表示波长随温度变化的系数。当结温上升也会导致LED正向电压值值下降[28]，其变化关系为：

VF(T1)、VF(T2)分别为在结温为和时PN结的正向压降，K为电压温度系数。
结温的变化同样会对LED的寿命产生严重的影响。由于结温越高，输出光强衰减越快，发光效率降低发热效率升高，导致结温进一步升高，器件性能衰减速度越快。如图2-1所示，当工作温度由63T：升至74°C时，LED平均寿命将会减少3/4。

以上分析可见，LED的热特性对其发光效率，光波长，寿命等性能都产生巨大的影响，研究LED的热学特性具有非常重要的作用。
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2.2系统方案设计
2.2.1需求和可行性分析
系统使用电学参数法进行检测，就要有能对PN结加载正向电流的电流源。系统检测过程使用到脉冲注入法，所以要有一个窄脉冲发生器来产生脉冲信号。电流源要和脉冲信号调制以产生脉冲电流，所以系统还要有稱合模块。系统要实现对电压电流温度等参数的采集，所以需要高速的采样模块。同时系统要实现对温度进行控制和设定，还要有一个温控模块。不同的LED检测时需要装夹，所以系统还要设计一个通用的LED夹具。
根据系统测量要达到的指标，各部分需求和可行性分析如下：
(1)电流源要想用脉冲法对LED进行测试，首先需要让LED发光，即需要一个正向驱动LED的电流源，能够输出稳定恒流，而且电流的大小可设定并且能快速调整，且具有高的电流稳定度和低的纹波系数。由于测量系数时，需要一个mA级小测试电流，而测t/-/曲线时又希望电流能够变化越大越好，能够达到A级，测试的曲线就能够更加完整。就需要电流的大小能在一个mA级至A级宽范围内变化，而且可调精度越高越好。这就对电流源提出了一个很高的要求。
(2)脉冲宽度由于在测试系数和t/-/曲线时，不希望器件因为驱动电流产生的热效应而引起器件结温的升高，进而影响了测试条件的变化，给测量带来了不确定因素。所以驱动电流的脉冲宽度应尽可能小，占空比尽可能大，这样瞬间电流所产生的热量能够马上耗散。
(3)親合模块由于脉冲需要很窄，而电流需要变化范围大精度高，这样将电流源和脉冲进行调制后输出脉冲电流的稱合模块提出了很高的要求。首先脉冲窄，就要求开关的切换速度要快，最好要比脉冲小一个数量级以上。其次因为电流大，要使得电流从零快速跳到到峰值，就会给电路的基准地带入很大的波动，引起很强的电磁干扰。同时由于电路PCB板和负载LED本身都具有容抗特性，稱合后的矩形脉冲电流会表现为上升沿充电下降沿放电的RC延时现象，脉冲电流会失真。这就要求稱合模块能够高速稳定而且消除波形失真[38]。
(4)温度控制系统同时需要设计一套恒温控制以及温度采集装置。无论是系数测量还是结温测量都要保证芯片热沉温度的可控和可采样。根据指标要实现温度控制器控温范围10~6(rC，温度控制的精度优于0.5°C，温度控制稳定度优于±o.rc，这就对温度控制的方式以及传感器和采样的精度提出了较高的要求。
(5)夹具由于系统要针对不同类型的功率LED进行检测，就要求夹具具有通用性。对LED进行测试会有A级的大电流流过，就要求夹具和LED引脚接触良好。同时系统还希望能配合积分球进行光功率检测，所以夹具体积要小，便于置入积分球内。
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第三章系统硬件电路设计……………………………..14
3.1脉冲恒流源设计……………………………..14
3.1.1可控恒流源设计……………………………..15
3.1.2脉冲发生器设计……………………………..22
3.1.3脉冲恒流调制设计……………………………..23
3.2温度控制模块的设计与分析……………………………..25
3.2.1温度设置与控制的工作原理与电路设计……………………………..25
3.2.2温控平台设计……………………………..31
3.3高速采样模块设计与分析……………………………..33
3.4数字电路模块……………………………..34
3.5系统供电电源设计……………………………..36
3.6本章小结……………………………..38
第四章系统控制软件设计……………………………..39
4.1微控制器嵌入式程序设计……………………………..39
4.1.1系统层程序设计……………………………..39
4.1.2应用层程序设计……………………………..47
4.2上位机应用软件设计……………………………..52
4.2.1上位机软件主要界面设计……………………………..53
4.2.2上位机软件程序设计和实现……………………………..56
4.3本章小结……………………………..60

 第五章系统测试与实验分析

5.1系统测试
系统搭建完后，整体如图5-1所示，需要对其进行试验，来分析系统主要参数的精度和稳定性。

5.1.1系统电流参数分析与测试
(1)系统电流稳定度分析
本系统所设计的电流源为自动电流控制模式，其输出电流与设定的电压存在如式(3-1)的关系，其中R5/R6为反馈回路的反馈系数尤，则电流可表示为：及

对式(5-1)进行全微分后有：

公式两边除以/求得输出电流相对稳定度的表达式：

由式(5-4)可知，恒流源输出电流的相对稳定度由三个要素决定。首先要保证压控恒流源的控制电压高稳定低温漂。其次，反馈网络中的反馈系数_^要保证高稳定性，即反馈网络中仪表放大器和比列放大电路的选择和设计要保证高稳定性。最后，釆样电阻也影响了输出电流的稳定性，由于电阻的热效应导致电阻体温度变化以及老化会引起取样电阻阻值变化，应选用温度系数小、耐流值高的精密电阻。
(2)系统恒流源直流输出性能测试
首先测试系统的恒流源电流输出线性度，用KEITHLEY的6位半数字万用表测量串联在电路中的采样电阻两端电压，采样电阻阻值为1，测两端电压即可获得真实的电流大小。首先使用5W的白光LED作为负载，脉冲输出模式为连续直流模式，控制电压从0V变化到1.5V，变化的步长为50mV，测量其输出电流值与设置电压值的关系如图5-2所示。对测量数据进行一阶最小二乘法拟合处理，线性标定方程为：

可知电流具有较好的线性设置精度。
为了检测输出电流的稳定性是否达到设计要求，进行了120分钟的稳定度测量实验。用KEITHLEY的6位半数字万用表测量串联在电路中的采样电阻两端电压，采样电阻阻值为la测两端电压即可获得真实的电流大小。负载同样使用5W的白光LED,脉冲输出模式为连续直流模式，控制电压为L00026V，每隔2分钟测量一次电流，测得的输出电流值随时间变化的关系如图5-3所示。

根据文献[53]中描述的关于稳定度的定义，即稳定度为输出值的相对变化量.—和输入值的比值，这里将输出相对变化定义为所测得电流的最大值与最小值之差，将平均电流作为输入值，如式(5-5)所述进行稳定度计算。
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第六章总结本文研究了功率型LED的热学特性

对LED整体性能的影响，探索了热学特性参数的不同测量方法，根据理论分析研制出了一套基于脉冲注入式的LED热学特性参数测量系统。系统包含了模拟电路、数字电路、温控平台和控制软件。本文同时还对系统的主要参数进行了分析和测试，同时利用该系统对样品进行了测试实验和数据分析。
总结本课题研究成果如下：
(1)通过研究大功率LED热学特性的原理，分析了热学特性参数测量的不同方法，并制定了LED热学参数测量系统的整体方案；验证了系统设计需求和可行性。
(2)研制了可调脉冲恒流源。通过分析现有的恒流源方案，设计了基于功率型MOS管的电流源。并使用了自动电流负反馈方式实现了高精度的可控恒流输出。使用FPGA作为脉冲发生器，设计了较可靠的脉冲调制电路，与恒流源结合实现了可调宽范围的窄脉冲大电流输出。
(3)研制了较高精度的温度采集和控制电路。通过使用积分分离和积分阈值设置的方法，有效化解了比例积分控制中因积分饱和所引发的系统震荡和超调现象，提高了系统温度控制的稳定性。
(4)设计了LED测量用的温度釆集控制平台。该平台利用微型凸轮实现对LED引脚的自锁。两个串联贴合的的TEC实现对温度的快速高效控制。温控平台体积小，可以结合积分球实现对光功率的测量。
(5)研制了基于ARM微控制器STM32F107的数字电路，实现了对所有外设的控制。单片机程序釆用幵源架构msOS并在其基础上做了添加和修改。程序实现了USB接口和总线设备控制功能。同时能够接收上位机命名并根据应用层程序控制电流源模块、高速采样模块、温控模块实现不同的参数测量功能。
(6)基于VB6.0编写了上位机程序，实现了简洁的人机操作界面和参数测量控制功能。通过USB接口控制下位机设备实现的各种数据采集和测量。
(7)通过一系列实验测试了系统主要参数的控制精度和稳定度。通过对不同样品LED进行不同参数的测量，验证了系统的可靠性。
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参考文献（略）