LED照明产品检测方法中的缺陷和改善对策说课材料.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED照明产品检测方法中的缺陷和改善对策-LED照明產品檢測方法中的缺陷和改善措施作者：俞安琪國家電光源質量監督檢驗中心（上海）國家燈具質量監督檢驗中心摘要：傳統的LED及其模塊光、色、電參數檢測方法有電脉衝驅動，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相差甚遠。文章介紹了通過Vf-Tj曲綫的標出并控制LED在控定的結溫下測量其光、色、電參數的方法。不僅對采用LED的照明器具如何保證LED工作結溫提供了目標限位，同時也使L

2、ED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的照明器具如何測量LED的結溫并確定LED參考點的限值溫度與結溫的函數關係。這對快速評估采用LED的照明器具的工作狀態和使用壽命提供了一個有效的途徑。一、 序言對於一個新興的產品，其產品自身的發展總是先於產品的標準和檢測方法。雖然產品的標準和檢測方法不可能先於產品的研發，但是，產品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產品的設計開發的進度，因為產品的標準和檢測方法的制定過程本事就是對產品研發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定越及時，就越能減少產品研發過程中的盲目性。LED照明產業發展到現在

3、，我們對LED照明產品標準和檢測方法的回顧的時刻已基本到來。1、傳統LED模塊的檢測方法第一種是采用脉衝測量的方法，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），采用脉衝恒流電源與瞬時測量光譜儀的同步聯動，即對LED發出數十秒至數百秒恒流的脉衝電流的同時，同步打開瞬時測量光譜的快門，對LED（光、色、電參數）進行快速檢測。特點：LED的結溫幾乎等同于室溫，所以光效高，光、電參數與實際有明顯差異，不具有可比性。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，給LED施加其聲稱的工作電流（可能具有基座控溫功能），受傳統的照明光源檢測方法的影響，也是等到LE

4、D達到熱平衡時開始測量它的光電參數。特點：這種方法看似比較嚴謹，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仍沒有好的關聯性，所以所測光電參數與今後實際應用狀態的參數仍不具有可比性。已頒布的標準中測量方法已頒布的GBT24824-2009/CIE127-2007NEQ普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法標準中規定：“試驗或測量時LED模塊應工作在熱平衡狀態下，在監視環境溫度的同時，最好能監視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗的可復現性。如可能檢測LED模塊結電壓，則應首選監測結電壓。否則，應監測LED模塊指定溫度測量點的溫度。如LED模塊工作時需要與外加散熱器

5、（包括主動製冷），則應嚴格限定散熱器的特性與尺寸，同時應在規定的位置監測散熱器的溫度，在測試報告中應具體描述外加散熱器。”由此可見，在監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LED的光、電參數與它工作時的結溫密切相關，同一個LED產品，結溫的不同會造成這些參數的明顯不同，所以測量LED的光、電參數首先應該考慮在設定的工作結溫條件下來進行。另外，因為封裝工藝、材料等差異，最高工作結溫是明顯不同的，爲了保證LED照明產品具有高效、長壽的特點，實際的工作結溫應該明顯

6、低於最高工作結溫。例如，目前我們大量采用的封裝技術，在LED的發光之前，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照明燈具到70%的光通維持率的時間要6萬小時，其工作結溫必須在70C75C以下。從提高光效和使用壽命的角度看，工作結溫在60C以下更好，但從照明器具的造型、體積、性價比來講，則應該達到預期的光效和使用壽命的基礎上把最高工作結溫控制在70C75C最為合適。爲了使LED及其模塊的光、色、電參數的檢測也盡可能接近於實際應用的結溫狀態，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a、 通過測量管腳溫度和芯片耗散

7、功率和熱阻係數得到結溫。但是因為耗散功率和熱阻係數的不準確，所以測量精度比較低。b、 外部熱成像法，要求LED處於為封裝的狀態，另外對封裝材料折射率有特殊要求，否則無法精確測量，測量精度比較低。c、 利用發光光譜峰位移測定結溫，是一種非接觸的測量方法。直接從發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，發光峰位的精度測量難度較大，而光譜峰值位移1nm的誤差變化就對應著測量結溫約30的變化，所以測量精度和重複性都比較低。d、 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.e、 利用二極管PN結電壓與結溫的Vf-Tj

8、關係曲綫來測量LED的結溫。LED最具可行性的結溫測量方法從上述介紹的各種LED結溫的測量方法可以看出，采用監視二極管PN結電壓來推算結溫的方法最具可行性且測量精度也最高，所以在很多集成IC電路中，爲了檢測IC芯片的工作結溫，往往會刻出或植入一個或幾個二極管，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a、 把被測的LED放入在硅油缸內，加熱硅油缸達到130Cb、 自然冷卻，每下降2C10C時瞬時給LED輸入規定的電流脉衝，并測量這一溫度和正向電壓降c、 把這一測量點的溫度和正向電壓降導入到電腦軟件數據庫中，由軟件產生Vf-Tj曲綫這一方法屬

9、於在溫度下降時測量方法。缺點是：當硅油缸的溫度較高時，與環境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，爲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於太快，但當硅油缸溫度較低時，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。加熱在外部，控溫和測量存在明顯的滯後，影響準確性。（3）新的Vf-Tj檢測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，從而保證了油缸內的硅油溫差保持在0.2C範圍內。可以以0.5C的間隔測量一次，可逐步調整到每上升10C測量一次。從25C到130C檢測時間約為2.5小時左右，能明顯低於目

10、前國際上已有的檢測裝置的測量時間。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即開始第二組LED的測量。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曲綫。圖1精密內控內熱式油杯示意圖圖2階梯式加溫的溫控曲綫（4）照明LED結溫測量及利用Vf-Tj關係曲綫指導光、色、電參數的測量得到被測量LED的Vf-Tj的曲綫后，最重要的是用於定結溫條件下的光、色、電參數測量。把被測LED固定在帶控溫/恒溫基座的積分球內，給LED通以工作電流，給LED燃點1520分鐘后，快速切換到測量電流（即前面標定Vf-Tj曲綫的測量電流）用數毫秒時間

11、快速測定被測LED的正向電壓Vf，通過與Vf-Tj曲綫中結溫值對應的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，裝置將自動回覆使LED通以工作電流的狀態。設定結溫值測量方法明顯的優點當被測LED在通以工作電流的情況下，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，可啟動光譜儀測量光、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，也使得它的這些所測量的參數變得有意義，並且其光、色、電參數也具有很好的

12、可重現性。二、LED進入照明器具后結溫控制和測量1、 LED進入照明器具后結溫控制和測量的必要性按照美國DOE的LM80要求往往要花300天以上的時間（6000h），這在很多工程招標和驗收時時無法實施的。結溫是判斷LED照明器具性能優劣的核心要素結溫作為衡量一個LED照明器具性能優劣的重要參數，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的燈具散熱特性的優劣，還能定性地知道各種采用LED的同類燈具的大致使用壽命。另外還能得知LED燈具的光效和其它光參數的測量值是在什麽結溫條件下

13、測得的，并能得出燈具中功率型LED熱沉上的某一點（參考溫度點）與結溫之間的函數關係，從而指導企業正確標出熱沉參考點的溫度限值。2、 照明器具內LED結溫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模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，這裡介紹一種完整的對照明器具內的LED實際工作結溫和熱阻的測量方法。（1）Vf-Tj曲綫標定將照明器具內LED矩陣中間的某一串聯LED組中處於或者接近中間部分的一顆LED作為被測LED,按圖3電路連接，在這一顆LED的熱沉(LED自身所帶的小散熱器)上粘一個熱電偶，使燈具在25C2C的

14、環境下放置6至12小時。測量電路連接圖圖3LED的燈具中LED矩陣某一串LED組的測量電路連接圖確定修正曲綫給圖三中的被測LED通上一支測量電流If，If視被測LED的功率大小可在2Ma50mA範圍內選定。通電測量時間為0.01S2S，在此期間連續測量被測LED的正向電壓降Vf可得出如圖所示的修正曲綫。從該曲綫上可得出該照明燈具內被測LED在通過某一恒定的測量電流時，在單位的測量時間t內Vf下降的數值Vf。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。當測量時間小於3ms且測量電流比較小時，可以不引入修正量。Vf-Tj曲綫標定把三個2刀2擲轉換繼電器調到測量位置，把LED燈具放入一

15、個可編程控制的專用加熱箱內，設定階梯式加溫方式對箱體內LED燈具進行加熱。根據LED熱沉上黏上的熱電偶反映的溫度值，且最終是以圖3電路測量被測LED的正向電壓降穩定時，說明燈具內LED已達到某一設定溫度的熱平衡。當每一個恒溫時間段即將結束，開始測量被測LED的正向電壓降Vf。根據實際測量的時間t，從圖4中得出修正是Vf。把測得的Vf值再加上Vf，得出D1在該溫度下不受測量電流影響的Vf1，即Vf1，即Vf1=Vf1+Vf，把這Vf1和用熱電偶測的溫度T1導入到設定的電腦數據庫中。重複這一步驟，得出一組經修正的數值。把這一組經修正的數值自動導入到數據庫，就能生成照明器具內LED的Vf-Tj曲綫。

16、照明器具中LED結溫的測量把照明器具從專用的加熱箱內取出，可以和照明器具的熱試驗同時進行。把器具放在GB7000.1標準規定的防風罩內，照明器具處於正常工作位置。按GB7000.1標準中熱試驗的要求進行熱試驗，通過照明燈具內的LED控制裝置把照明器具的LED矩陣點亮，此時LED照明器具處於正常工作狀態。觀察LED熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值，當溫度值達到熱平衡時，轉換到測量位置，連續5次，每次間隔數十秒測量出5個被測LED的Vf值，通過電腦和專用函數計算軟件，計算出被測LED在斷開工作電流瞬間的正向電壓降，并根據上述正向電壓降與結溫的關係曲綫查出LED照明器具內被測LED在燈具工作至熱平衡時

17、的結溫，同時，也可以得到燈具連續工作至熱平衡時熱沉上參考點的溫度值。三、回顧和總結對LED結溫的測量和控制，是LED進入照明領域不可缺少的重要步驟，它使LED器件與LED照明器具前後工序有機地結合起來。通過對LED的Vf-Tj曲綫標定，并利用這一曲綫能指導并控制LED在預定的結溫下測量光、色、電參數，使LED這些參數的測量值更接近與實際應用狀態的參數，另外LED的預定結溫的確定也給LED照明器具設計者指明了散熱控制的限值。同樣通過對照明器具內LED的Vf-Tj曲綫標定，能測量出照明器具在定額的ta條件下的LED結溫，這不僅能評價LED器具散熱設計的合理性，而且還揭示出LED熱沉上參考點溫度與結溫的函數關係，并進一步得知LED的PN結到器具上某點的熱阻，從而指導LED照明器具的生產企業能正確地標明參考點溫度的限值，并能通過測量參考點的溫度而得知LED的工作結溫。這一檢測方法的意義LED照明燈具在正常工作時，其散熱特性的好壞直接關係到燈效，光衰和使用壽命，對應的指標是LED工作時的PN結結溫及散熱的熱阻，如果這兩個指標做好了，就說明該燈具再效率和使用壽命方面是有保證的，就如對人體的檢查，如果驗血的指標、彩色CT的檢查及血液造影結果都是好的話，這個人身體一定是健康的一樣的道理。本檢驗方法的意義就在於，建立了LED照明燈具驗血和彩色CT的檢查儀及其方法。-