LED照明產品檢測方法中的缺陷和改善的對策

傳統(tǒng)的LED 及其模塊光、色、電參數檢測方法有電脈沖驅動 ,CCD 快速光譜測量 法,也有在一定的條件下,熱平衡后的測量法,但這些方法的測量條件和結果與LED 進入照明器具內的實際工作情況都相差甚遠。文章介紹了通過Vf—TJ 曲線的標出并控制LED 在控定的結溫下測量其光、色、電參數不僅對采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結溫提供了目標限位,同時也使LED 及其模塊的光、色、電參數的測量參數更接近于實際的應用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測量LED 的結溫并確定LED 參考點的限值溫度與結溫的函數關系。這對快速評估采用LED 的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個有效的途徑。

一、 序言

對于一個新興的產品,其產品自身的發(fā)展總是先于產品標準和檢測方法。雖然產品的標準和檢測方法不可能先于產品的研發(fā),但是,產品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產品設計開發(fā)的進度,因為產品的標準和檢測方法的制定過程本身就是對產品研發(fā)過程的回顧研討和小結,只要條件基本成熟,產品標準和檢測方法的制訂越及時,就越能減少產品研發(fā)過程的盲目性。LED 照明產業(yè)發(fā)展到現在,我們對LED 照明產品標準和檢測方法的回顧、小結的時候已經基本到來。

二、 LED模塊 的光電 參數和檢測方法的現狀和改進方法

1、傳統(tǒng)的LED模塊的檢測方法

目前傳統(tǒng)的 LED 模塊的檢測方法主要有兩種,第一種是采用脈沖測量的方法,它是把照明LED 模塊固定在測量裝置上(例如積分球 的測量位置等),采用脈沖恒流電源 與瞬時測量光譜儀的同步聯動,即對LED 發(fā)出數十毫秒～數佰毫秒恒流的脈沖電流的同時,同步打開瞬時測量光譜儀器的快門,對LED 發(fā)出的光參數(光通量 、光色參數等)進行快速檢測,同時,也同步采集LED 的正向壓降和功率 等參數。由于這種方式在檢測過程中,LED 的結溫幾乎等同于室溫,所以,測量結果的光效 高,光色和電參數與實際使用情況有明顯差異,這一般都是LED芯片 (器件)生產商采用的快速檢測方法,而與LED 實際應用在最終照明器具中的狀態(tài)不具有可參比性。

第二種檢測方法是把LED模塊安裝在檢測裝置上后,可能帶上一固定的散熱器(也可能具有基座控溫功能),給LED施加其聲稱的工作電流,受傳統(tǒng)的照明光源檢測方法的影響,也是等到LED達到熱平衡后再開始測量它的光電參數。這種方法看似比較嚴密,但實際上,它的熱平衡條件和工作條件與此類LED裝入最終的照明器具中的狀態(tài)仍沒有好的關聯性,因此所測的光電參數與今后實際的應用狀態(tài)的參數仍不具有可參比性。已經頒布的GB/T24824—2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法》標準中,在這方面是這樣規(guī)定的：“試驗或測量時LED模塊應工作在熱平衡狀態(tài)下,在監(jiān)視環(huán)境溫度的同時,最好能監(jiān)視LED模塊自身的工作溫度,以保證試驗的可復現性。如可能監(jiān)測LED模塊結電壓,則應首選監(jiān)測結電壓。否則,應監(jiān)測LED模塊指定溫度測量點的溫度”?？梢娫诒O(jiān)測結電壓的條件下來測量LED 模塊的光電參數是保證檢測重現性的首選方案,但是,標準中沒有指明在模擬實際使用結溫條件下檢測LED 模塊的光、色、電參數。

2、LED 模塊測量方法的改進

眾所周知,LED 的光、電參數特性與它的工作時的結溫密切相關,同一個LED 產品,結溫的不會造成這些參數的明顯不同,這也造成了同一個LED 光、色、電參數測量結果的明顯不一致性,所以測量LED 的光電參數首先應考慮在設定的工作結溫的條件下來進行。另外,LED 因為封裝的工藝、材料等差異,其聲稱的最高工作結溫是明顯不同的,為了保證LED 照明產品具有高效、長壽的特點,LED 實際的工作結溫應明顯低于最高工作結溫。例如,目前我們大量采用的LED 封裝方法和技術,在LED 的發(fā)光面前,都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實踐證明,要使此類LED 照明器具,到70%的光通維持率的時間要≥6 萬小時,其工作結溫必須保持在70℃～75℃以下。從提高光效和使用壽命的角度來講,LED 的工作結溫能保持在60℃以下更好,但從照明器具的造型、體積、性價比來講,則應該控制在能達到預期的光效和使用壽命的基礎上把LED的最高工作結溫控制在70℃～75℃最為合適。為了使LED 及其模塊的光、色、電參數的檢測也盡可能接近于實際應用的結溫狀態(tài),就必須解決如何測量LED的結溫并能在這一結溫下進行光、色、電參數的檢測問題。

(1)目前LED 的結溫測量方法大概有

1、通過測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數求得結溫。但是因為耗散功率和熱阻系數的不準確,所以測量精度比較低。

2、紅外熱成像法,利用紅外非接觸溫度儀直接測量LED 芯片的溫度,但要求被測器件處于未封裝的狀態(tài),另外對LED 封裝材料折射率有特殊要求,否則無法準確測量,測量精度比較低。

3、利用發(fā)光光譜峰位移測定結溫,也是一種非接觸的測量方法,直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動 技術來測量結溫,這一方法對光譜測試 儀器分辨精度要求較高,發(fā)光峰位的精度測定難度較大,而光譜峰位移1 納米的誤差變化就對應著測量結溫約30 度的變化,所以測量精度和重復性都比較低。

4、向列型液晶 熱成像技術,對儀器分辨率要求高,只能測量未封裝的單個裸芯片,不能測量封裝后的LED。

5、利用二極管 PN 結電壓與結溫的Vf-TJ 關系曲線,來測量LED 的結溫。

從上述介紹的各種 LED 結溫的測量方法可看出,采用監(jiān)視二極管PN 結電壓的變化來推算結溫的方法最具有可行性并且測量精度也最高,所以在很多集成IC 電路中,為了檢測IC 芯片的工作結溫,往往會刻出或值入1 個或幾個二極管,通過測量其正向電壓降的變化來達到測量芯片結溫的目的。

(2)目前國際上較先進的Vf—TJ 測量方法

目前國際上先進的 Vf—TJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線放入在硅油缸內,隨后加熱硅油缸使硅油的溫度達到140℃左右,隨后讓缸內硅油自然冷卻,只要冷卻時硅油溫度下降的速度足夠慢,就可以認為LED 的結溫與LED 的熱沉的溫度是基本一致的,在此過程中,根據所測的硅油溫度,每下降2℃～10℃時瞬時給LED 輸入規(guī)定的電流脈沖,并測量其在這一溫度下的正向電壓降,把這一測量點的溫度和正向電壓降導入到電腦軟件的數據庫,從140℃左右開始,隨溫度的下降,每下降一個設定的等分溫度測量一次熱沉溫度和正向電壓降,一直測量到25℃左右,當完成這一組測量數據并導入到電腦軟件的數據庫后,由軟件產生一個Vf—TJ 曲線。這一方法屬于在溫度下降時測量方法,對于測量來說是可行的,但是因為試驗室的環(huán)境溫度是衡定的(一般為25℃),而硅油缸的油溫是從高到低下降的,這就造成當硅油缸的油溫較高時,因為與試驗室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快,為了保證測量的準確性采用了適當的措施使硅油缸在溫度較高時溫度下降不致于太快,但當硅油缸溫度較低時,因為與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢,這大大延長了這一檢測過程的測量時間。因為上述原因,這一溫度下降時的測量方法在標定Vf—TJ 過程是不可能短的,(大約需4～5 小時),否則將產生明顯的測量誤差。另外,這種檢測裝置油缸是固定的,要測量第二組,時間很慢。還有上述加熱裝置是在硅油缸外面的底部,加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯后,這也造成這一方法測量結溫的準確性比較差。

(3)新的Vf—TJ 檢測方法

本機構發(fā)明的檢測方法是采用溫度上升時的測量方法,采用電腦設定的PID(積分、微分加上加熱與不加熱時間比例控制)方法來加熱和控制硅油缸的溫度,即在硅油缸加熱的起始段,加熱時間與不加熱時間的比例是很小的,并且可調,使硅油缸溫度上升速率能保證LED 結溫、熱沉與硅油溫度的一致性,隨著硅油溫度的逐步上升,與室溫的溫差也隨之加大,此時PID 加熱和控溫系統(tǒng)會自動加大加熱時間與不加熱時間的比例,(實際加大了單位時間內的加熱功率)所以能保證硅油缸內硅油的溫度上升速率始終保持在設定的速率上,不會因為硅油溫度與環(huán)境溫度的差異不同而發(fā)生油溫上升的速率不同?？梢栽O定讓硅油衡溫在應用溫度范圍的任一溫度值上,也可以實現0.1℃/分鐘～2℃/分鐘的升溫速率。

在每次升溫階段后,具有一個衡溫控制階段,即升溫階段和衡溫階段形成了階梯式控溫曲線。隨著溫度階梯式上升,測量正向電壓可以設定成每上升0.5℃測量一次,并且可以以0.5℃的間隔,可逐步調整到每上升10℃測量一次。為了保證控溫以及測量的溫度的及時性,采用內置式加熱,另外又為了保證硅油缸內油溫的一致性,在油缸底部加有一個磁性感應的攪拌條,利用外部電機轉動并通過磁感應帶動這一攪拌磁條在油缸內轉動,這一轉動速度可調,從而保證了油缸內的硅油溫差保持在0.2℃范圍內。本測量裝置因為硅油溫度上升的速率幾乎一致,并且實行階梯式升溫和控溫,從而能保證在合理的溫度上升速率的條件下得到準確的檢測結果,并且檢測時間(從25℃到140℃約為2.5 個小時左右)能明顯低于目前國際上已有的檢測裝置的測量時間。目前國際上已有的檢測裝置是單硅油缸結構,本測量裝置采用雙硅油缸結構,當完成一組樣品的測量后,更換一個硅油缸可立刻開始第二組LED 的檢測。本測量裝置在每一個測量溫度點測得的溫度和LED 正向電壓降后,導入到數據庫并由編制的軟件生成Vf—TJ 曲線。

(4)照明LED 結溫測量及利用Vf—TJ 關系曲線指導光、色、電參數的測量

得到被測 LED 的Vf—TJ 的曲線后,最重要的是用于定結溫條件下的光、色、電參數測量。檢測系統(tǒng)見圖1。把被測LED 固定到帶控溫/恒溫基座的積分球內,給LED 通以工作電流,給LED 燃點15～20 分鐘基本達到穩(wěn)定后,快速切換到測量電流(即前面標定Vf—TJ 曲線的測量電流)用數毫秒時間快速測定被測LED的正向電壓Vf,通過與Vf—TJ 曲線中設定結溫值對應的Vf 比較,如與目標值有差異,控制程序將自動調整恒溫基座的溫度來使LED的正向電壓Vf達到目標結溫值對應的結電壓。在快速測定Vf 后,裝置將自動回復使LED 通以工作電流的狀態(tài)。當被測LED 在通過工作電流的情況下,其結溫達到目標值(即達到目標結溫值對應的Vf 值)且熱平衡后,系統(tǒng)將自動啟動光譜儀測量光、色參數同時讀取其電參數。

上述測量方法最明顯的優(yōu)點是,在LED 實際的應用中,只要照明器具中LED工作在目標結溫值附近,用這一方法參數有很好的模擬性,也使它的這些所測量的參數變得有意義,并且其光、色、電參數也具有很好的測量結果的重現性。

三、 LED 進入照明器具后結溫的測量

1、LED 進入照明器具后結溫控制和測量的必要性

LED 應用到照明器具中時,人們普遍希望具有幾萬小時的使用壽命,但是要測量采用LED 的照明器具的光衰減和壽命,按照美國DOE 的LM80 要求往往要化300 天以上的時間(6000h),這在很多工程招標和驗收時是無法實施的。

結溫作為衡量一個 LED 照明器具性能優(yōu)劣的重要參數,是LED 照明器具在工程應用中可靠性測量的核心要素。如果能準確測量出燈具內LED 的PN 結結溫和PN 結到散熱器某一指定點的熱阻這兩個定量的指標,就不僅能衡量采用LED 的照明器具散熱特性的優(yōu)劣,還能定性地知道各種采用LED 的同類照明器具的大致使用壽命,另外還能得知LED 照明器具的光效和其他光參數的測量值是在什么結溫條件下測得的,并且能得出照明器具中功率型LED 熱沉上的某一點(參考溫度點)與結溫之間的函數關系,從而指導企業(yè)正確地標出熱沉參考點的溫度限值。

2、測量方法介紹

目前國內外對 LED 的PN 結的結溫,只能進行單個LED 或者單個LED 摸塊的結溫和熱阻的測量,還沒有完整的對照明器具內LED 實際工作結溫和熱阻的測量方法,下面介紹一種完整的對照明器具內LED 實際工作結溫和熱阻的測量方法。

1、Vf-TJ 曲線標定

(1)將照明器具內LED 矩陣中間的某一串聯LED 組中處于或者接近中間部位的一顆LED 作為被測LED,按圖2 電路連接,在這一顆LED 的熱沉(LED 自身所帶的小散熱器)上粘上一個熱電偶。使燈具在25℃±2℃的環(huán)境下放置6～12 小時(視所測燈具的體積大小確定放置時間),然后給圖2 中的被測LED 通上一支測量電流If,If 視被測LED 的功率大小可在2mA～50 mA 范圍選定。通電測量時間為0.005S～2S,在此期間連續(xù)測量被測LED 的正向電壓降Vf 可得出如圖3 所示曲線。從該曲線上可得出該照明器具內被測LED 在通過某一恒定的測量電流時,在單位的測量時間Δt 內Vf 下降的數值ΔVf。該數值留作下述檢測過程作為測量電流引起的Vf 變化的修正量。當測量時間小于3ms 并且測量電流比較小時,可以不引入修正量。

圖1 LED 的燈具中LED 矩陣某一串LED 組的測量電路連接圖