LED模块光、色、电参数新检测方法-灯具内LED的PN结的结温检测方法.ppt

LED模块光、色、电测量的参数新的模块光、色、电测量的参数新的检测方法检测方法俞安琪俞安琪国家电光源质量监督检验中心国家电光源质量监督检验中心(上海上海)国家灯具质量监督检验中心国家灯具质量监督检验中心上海时代之光照明电器检测有限公司上海时代之光照明电器检测有限公司 Deficiency and improvement means of testing methods of LED lighting productsYu Anqi,China National Light Source Quality Supervision Testing Centre(Shanghai),China National Lighting Fitting Quality Supervision Testing Centre,Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd.摘摘要要:传传统统的的LED及及其其模模块块光光、色色、电电参参数数检检测测方方法法有有脉脉冲冲电电流流驱驱动动，CCD快快速速光光谱谱测测量量法法，也也有有在在一一定定的的条条件件下下，热热平平衡衡后后的的测测量量法法，但但这这些些方方法法的的测测量量条条件件和和结结果果与与LED进进入入照照明明器器具具内内的的实实际际工工作作情情况况都都相相差差甚甚远远。文文章章介介绍绍了了通通过过VfTJ曲曲线线的的标标出出并并控控制制LED在在设设定定的的结结温温下下测测量量其其光光、色色、电电参参数数，不不仅仅对对采采用用LED的的照照明明器器具具的的如如何何保保证证LED工工作作结结温温提提供供了了目目标标限限值值，同同时时也也使使LED及及其其模模块块的的光光、色色、电电测测量量的的参参数数更更接接近近于于实实际际的的应应用用条条件件。文文章章还还介介绍绍了了采采用用LED的的照照明明器器具具如如何何测测量量LED的的结结温温并并确确定定LED参参考考点点的的限限值值温温度度与与结结温温的的函函数数关关系系。这这对对快快速速评评估估采采用用LED的的照照明明器器具具的的工工作作状态和使用寿命提供了一个有效的途径。状态和使用寿命提供了一个有效的途径。关键词：关键词：标定、标定、VfTJ曲线、曲线、LED结温、修正、参考点温度结温、修正、参考点温度 一、序言一、序言 对于一个新兴的产品，其产品自身的发展总是对于一个新兴的产品，其产品自身的发展总是先于产品标准和检测方法。虽然产品的标准和先于产品标准和检测方法。虽然产品的标准和检测方法不可能先于产品的研发，但是，产品检测方法不可能先于产品的研发，但是，产品的标准和检测方法应尽可能地紧跟产品设计开的标准和检测方法应尽可能地紧跟产品设计开发的进度，因为产品的标准和检测方法的制定发的进度，因为产品的标准和检测方法的制定过程本身就是对产品研发过程的回顾研讨和小过程本身就是对产品研发过程的回顾研讨和小结，只要条件基本成熟，产品标准和检测方法结，只要条件基本成熟，产品标准和检测方法的制订越及时，就越能减少产品研发过程的盲的制订越及时，就越能减少产品研发过程的盲目性。目性。LEDLED照明产业发展到现在，我们对照明产业发展到现在，我们对LEDLED照照明产品标准和检测方法的回顾、小结的时候已明产品标准和检测方法的回顾、小结的时候已经基本到来经基本到来 1、传统的传统的LEDLED模块的检测方法模块的检测方法 目前传统的目前传统的LEDLED模块的检测方法主要有两种模块的检测方法主要有两种*第第一一种种是是采采用用脉脉冲冲测测量量的的方方法法，它它是是把把照照明明LEDLED模模块块固固定定在在测测量量装装置置上上（例例如如积积分分球球的的测测量量位位置置等等），采采用用脉脉冲冲恒恒流流电电源源与与瞬瞬时时测测量量光光谱谱仪仪的的同同步步联联动动，即即对对LEDLED发发出出数数十十毫毫秒秒数数佰佰毫毫秒秒恒恒流流的的脉脉冲冲电电流流的的同同时时，同同步步打打开瞬时测量光谱的快门，对开瞬时测量光谱的快门，对LEDLED（光、色、电参数）进行快速检测。（光、色、电参数）进行快速检测。特特点点：LEDLED的的结结温温几几乎乎等等同同于于室室温温，所所以以光光效效高高，光光、电电参参数数与与实实际际使使用用有有明显差异，不具有可参比性。明显差异，不具有可参比性。*第第二二种种检检测测方方法法是是把把LEDLED模模块块安安装装在在检检测测装装置置上上后后，可可能能带带上上一一固固定定的的散散热热器器，给给LEDLED施施加加其其声声称称的的工工作作电电流流（可可能能具具有有基基座座控控温温功功能能），受受传传统统的的照照明明光光源源检检测测方方法法的的影影响响，也也是是等等到到LEDLED达达到到热热平平衡衡时时开开始始测测量量它它的的光光电电参参数。数。特特点点：这这种种方方法法看看似似比比较较严严密密，但但实实际际上上，它它的的热热平平衡衡条条件件和和工工作作条条件件与与此此类类LEDLED装装入入最最终终的的照照明明器器具具中中的的状状态态仍仍没没有有好好的的关关联联性性，所所以以所所测测光光电电参参数与今后实际的应用状态的参数仍不具有可参比性。数与今后实际的应用状态的参数仍不具有可参比性。已已颁颁布布的的GB/T248242009/CIE GB/T248242009/CIE 127-2007 127-2007 NEQNEQ普普通通照照明明用用LEDLED模模块块的的基基本本性性能能的的测测量量方方法法标标准准中中规规定定：“试试验验或或测测量量时时LEDLED模模块块应应工工作作在在热热平平衡衡状状态态下下，在在监监视视环环境境温温度度的的同同时时，最最好好能能监监视视LEDLED模模块块自自身身的的工工作作温温度度，以以保保证证试试验验的的可可复复现现性性。如如可可能能监监测测LEDLED模模块块结结电电压压，则则应应首首选选监监测测结结电电压压。监监测测结结电电压压的的本本质质是是监监测测LEDLED模模块块的的结结温温，可可见见在在监监测测结结电电压压的的条条件件下下来来测测量量LEDLED模模块块的的光光电电参参数数是是保保证证检检测测重重现现性性的的首首选选方方案案，但但是是，标标准准中中没没有有指指明明在在模模拟拟实实际际使使用用结结温温条件下检测条件下检测LEDLED模块的模块的光、色、电参数。光、色、电参数。已已经颁经颁布的布的标标准中准中测测量方法量方法LED最具有可行性的结温测量方法最具有可行性的结温测量方法从上述介绍的各种从上述介绍的各种LEDLED结温的测量方法可结温的测量方法可看出，采用监视二极管看出，采用监视二极管PNPN结电结电压来推算压来推算结温的方法最具有可行性并且测量精度结温的方法最具有可行性并且测量精度也最高，也最高，所以在很多集成所以在很多集成ICIC电路中，为电路中，为了检测了检测ICIC芯片的工作结温，往往会刻出芯片的工作结温，往往会刻出或值入或值入1 1个或几个二极管，通过测量其正个或几个二极管，通过测量其正向电压降的变化来达到测量芯片结温的向电压降的变化来达到测量芯片结温的目的。目的。（2 2）目前国际上较先进的）目前国际上较先进的V Vf fTTJ J测测量方法量方法1 1）把把被被测测的的LEDLED放放入入在在硅硅油油缸缸内内，加加热热硅硅油油缸缸达达到到1301302 2）自自然然冷冷却却，每每下下降降221010时时瞬瞬时时给给LEDLED输输入入规规定定的电流脉冲的电流脉冲,并测量这一温度和正向电压降并测量这一温度和正向电压降3 3）把把这这一一测测量量点点的的温温度度和和正正向向电电压压降降导导入入到到电电脑脑软软件件的数据库的数据库,由软件产生一个由软件产生一个V Vf fTTJ J曲线。曲线。这这一一方方法法属属于于在在温温度度下下降降时时测测量量方方法法，缺缺点点是是：当当硅硅油油缸缸的的油油温温较较高高时时，与与环环境境温温度度的的温温差差大大而而使使冷冷却却速速度度较较快快，为为了了保保证证测测量量的的准准确确性性采采用用了了适适当当的的措措施施使使硅硅油油缸缸在在温温度度较较高高时时温温度度下下降降不不致致于于太太快快，但但当当硅硅油油缸缸温温度度较较低低时时，与与室室温温的的温温差差太太小小而而使使冷冷却却的的速速度度太太慢慢，这这大大大大延延长长了了这这一一检检测测过过程程的的测测量量时时间间。加加热热在外部，控温和测量存在明显的滞后，影响准确性。在外部，控温和测量存在明显的滞后，影响准确性。（3）新的）新的VfTJ检测方法检测方法 采采用用电电脑脑设设定定的的PID（积积分分、微微分分加加上上加加热热与与不不加加热热时时间间比比例例控控制制）方方法法来来加加热热和和控控制制硅硅油油缸缸的的温温度度，从而保证了油缸内的硅油温差保持在从而保证了油缸内的硅油温差保持在0.2范围内。范围内。可可以以以以0.5的的间间隔隔测测量量一一次次，可可逐逐步步调调整整到到每每上上升升10甚至甚至20测量一次测量一次。从从25到到130检测时间约为检测时间约为2.5个小时左右，能明个小时左右，能明显低于目前国际上已有的检测装置的测量时间。显低于目前国际上已有的检测装置的测量时间。采用双硅油缸结构，当完成一组样品的测量后，更采用双硅油缸结构，当完成一组样品的测量后，更换一个硅油缸可立刻开始第二组换一个硅油缸可立刻开始第二组LEDLED的检测。的检测。本测量装置在每一个测量温度点测得的温度和本测量装置在每一个测量温度点测得的温度和LEDLED正正向电压降后，导入到数据库并由编制的软件生成向电压降后，导入到数据库并由编制的软件生成 V Vf fTTJ J曲线曲线 。精精密密内内控控内内热热式式油油杯杯示示意意图图阶阶梯梯式式加加温温的的控控温温曲曲线线（4）照明）照明LED结温测量及利用结温测量及利用VfTJ关系曲线关系曲线指导光、色、电参数的测量指导光、色、电参数的测量 仅控制仅控制LEDLED测量时的环境温度和基座是不能保证被测测量时的环境温度和基座是不能保证被测LEDLED光、色、电参数检测重复性的（接触热阻不同）光、色、电参数检测重复性的（接触热阻不同）得到得到LEDLED的的V Vf fT TJ J的曲线后，最重要的是用于定结温的曲线后，最重要的是用于定结温条件下的光、色、电参数测量，条件下的光、色、电参数测量，定热沉温度较可，定热沉温度较可，定结温条件下的光、色、电参数测量是最理想的。定结温条件下的光、色、电参数测量是最理想的。把被测把被测LEDLED固定到带控温固定到带控温/恒温基座的积分球内，给恒温基座的积分球内，给LEDLED通以通以工作电流工作电流，给，给LEDLED燃点燃点15152020分钟后，快速分钟后，快速切换到切换到测量电流测量电流（即前面标定（即前面标定V Vf fT TJ J曲线的测量电流）曲线的测量电流）用数毫秒时间快速测定被测用数毫秒时间快速测定被测LEDLED的正向电压的正向电压V Vf f，通过通过与与V Vf fT TJ J曲线中结温值对应的曲线中结温值对应的V Vf f 比较，如与目标值比较，如与目标值有差异有差异,控制程序将自动调整恒温基座的温度使控制程序将自动调整恒温基座的温度使LEDLED的的V Vf f达到目标结温值对应的结电压。在快速测定达到目标结温值对应的结电压。在快速测定V Vf f后，后，装置将自动回复使装置将自动回复使LEDLED通以工作电流的状态。通以工作电流的状态。设定结温值测量方法明显的优点设定结温值测量方法明显的优点当当被被测测LED在在通通过过工工作作电电流流的的情情况况下下，其其结结温温达达到到目目标标值值（即即达达到到目目标标结结温温值值对对应应的的Vf值值）且且热热平平衡衡后后，可可启启动动光光谱谱仪仪测测量量光光、色色参参数数同时读取其电参数。同时读取其电参数。上上述述测测量量方方法法最最明明显显的的优优点点是是，在在LED实实际际的的应应用用中中，只只要要照照明明器器具具中中LED工工作作在在目目标标结结温温值值附附近近，用用这这一一方方法法参参数数有有很很好好的的模模拟拟性性，也也使使它它的的这这些些所所测测量量的的参参数数变变得得有有意意义义，并并且且其其光光、色色、电电参参数数也也具具有有很很好好的的可可重重现现性。性。设定设定LED结温值测量装置结温值测量装置标定的标定的VfVfTJTJ曲线曲线VfTJ标定曲线测试系统结构图标定曲线测试系统结构图设定结温设定结温LEDLED光光.色色.参数测试系统结构图参数测试系统结构图三三、灯具内、灯具内LEDLED的的PNPN结结温的测结结温的测量方法量方法 1、LED进入照明器具后结温控制和测进入照明器具后结温控制和测量的必要性量的必要性 按照美国按照美国DOE的的LM80要求往往要化要求往往要化300天以上的时间（天以上的时间（6000h），），这在这在很多工程招标和验收时无法实施。很多工程招标和验收时无法实施。按照按照IEC TC34DIEC TC34D赫尔辛基会议的基本赫尔辛基会议的基本精神，精神，LEDLED的寿命试验方法是的寿命试验方法是L70+F5L70+F5，可能还有增加的考核内容。可能还有增加的考核内容。结温是判断结温是判断LED照明器具性能照明器具性能优劣的核心要素优劣的核心要素结结温温作作为为衡衡量量一一个个LED照照明明器器具具性性能能优优劣劣的的重重要要参参数数，是是LED照照明明器器具具在在工工程程应应用用中中可可靠靠性性测测量量的的核核心心要要素素。如如果果能能准准确确测测量量出出灯灯具具内内LED的的PN结结结结温温和和PN结结到到散散热热器器某某一一指指定定点点的的热热阻阻这这两两个个定定量量的的指指标标，就就不不仅仅能能衡衡量量采采用用LED的的灯灯具具散散热热特特性性的的优优劣劣，还还能能定定性性地地知道各种采用知道各种采用LED的同类灯具的大致使用寿命。的同类灯具的大致使用寿命。另另外外还还能能得得知知LED灯灯具具的的光光效效和和其其他他光光参参数数的的测测量量值值是是在在什什么么结结温温条条件件下下测测得得的的，并并且且能能得得出出灯灯具具中中功功率率型型LED热热沉沉上上的的某某一一点点（参参考考温温度度点点）与与结结温温之之间间的的函函数数关关系系，从从而而指指导导企企业业正正确确标标出出热热沉沉参参考考点点的的温温度度限值。限值。2 2、照明器具内、照明器具内LED结温测量方法结温测量方法介绍介绍 目目前前国国内内外外对对LED的的PN结结的的结结温温，只只能能进进行行单单个个LED或或者者单单个个LED摸摸块块的的结结温温和和热热阻阻的的测测量量，还还没没有有完完整整的的对对照照明明器器具具内内LED实实际际工工作作结结温温和和热热阻阻的的测测量量方方法法，这这里里介介绍绍一一种种完完整整的的对对照照明明器器具具内内LED实际工作结温和热阻的测量方法。实际工作结温和热阻的测量方法。1）VfTJ曲线标定曲线标定 将将照照明明器器具具内内LED矩矩阵阵中中间间的的某某一一串串联联LED组组中中处处于于或或者者接接近近中中间间部部位位的的一一颗颗LED作作为为被被测测LED，按按图图1电电路路连连接接，在在这这一一颗颗LED的的热热沉沉（LED自自身身所所带带的的小小散散热热器器）上上粘粘上上一一个个热热电电偶偶。使使灯灯具具在在252的环境下放置的环境下放置612小时。小时。测量电路连接图测量电路连接图图图1 LED的的灯具中灯具中LED矩矩阵某一阵某一串串LED组的测组的测量电路量电路连接图连接图 VfTJ曲线标定曲线标定*把三个把三个2 2刀刀2 2掷转换继电器调到测量位置掷转换继电器调到测量位置,把把LEDLED灯具放入一个可灯具放入一个可编程控制的专用加热箱内，设定阶梯式加温方式对箱体内编程控制的专用加热箱内，设定阶梯式加温方式对箱体内LEDLED灯具进行加热。图灯具进行加热。图3 3中每一阶梯分为恒温时间段和升温时间段，中每一阶梯分为恒温时间段和升温时间段，这两个时间段可分别设定，设定范围为这两个时间段可分别设定，设定范围为5 5分钟分钟3030分钟中的任分钟中的任一值。一值。*根据根据LEDLED的热沉上粘上的热电偶反映的温度值，并且最终是以的热沉上粘上的热电偶反映的温度值，并且最终是以图图1 1电路测量被测电路测量被测LEDLED的正向电压降稳定时，说明灯具内的正向电压降稳定时，说明灯具内LEDLED已已达到某一设定点温度的热平衡。当每一个恒温时间段即将结达到某一设定点温度的热平衡。当每一个恒温时间段即将结束，开始测量被测束，开始测量被测LEDLED的正向电压降的正向电压降V Vf f。*根据实际测量的时间根据实际测量的时间t t，从图从图2 2中得出修正是中得出修正是V Vf f。把测得的把测得的V Vf f值再加上值再加上V Vf f，得出得出D D1 1在该温度下不受测量电流影响的在该温度下不受测量电流影响的V Vf1f1，即即V Vf1f1V Vf1f1VVf f，把这一把这一V Vf1f1和用热电隅测的温度和用热电隅测的温度T T1 1导入到设定的电脑数据库中。导入到设定的电脑数据库中。*重复这一步骤，得出一组经修正的数值。把这一组经修正的数重复这一步骤，得出一组经修正的数值。把这一组经修正的数值自动导入数据库，就能生成照明器具内值自动导入数据库，就能生成照明器具内LEDLED的的V Vf fT TJ J曲线。曲线。照明器具中照明器具中LED结温的测量结温的测量 把把LED照明器具从专用加热箱内取出，可以和照明器照明器具从专用加热箱内取出，可以和照明器具的热试验同时进行。把器具放在具的热试验同时进行。把器具放在GB 7000.1标准的标准的附录附录D规定的防风罩内，照明器具处于正常工作位置。规定的防风罩内，照明器具处于正常工作位置。按按GB7000.1标准中标准中12.4热试验的要求进行热试验热试验的要求进行热试验,用照明器具内的用照明器具内的LED控制装置把灯具中的控制装置把灯具中的LED矩阵点矩阵点亮，此时亮，此时LED照明器具处于正常工作状态照明器具处于正常工作状态。观察观察LED的热沉上粘上的热电偶反映的温度值的热沉上粘上的热电偶反映的温度值,当温当温度值达到热平衡时度值达到热平衡时,转换到测量位置转换到测量位置,连续连续5次次,每次每次间隔数十毫秒测量出间隔数十毫秒测量出5个被测个被测LED的的V Vf f值值,通过电脑和通过电脑和专用函数计算软件专用函数计算软件,计算出被测计算出被测LED在断开工作电流在断开工作电流瞬间的正向电压降瞬间的正向电压降,并根据上述正向电压降与结温的并根据上述正向电压降与结温的关系曲线查出关系曲线查出LED照明器具中被测照明器具中被测LED在灯具工作至在灯具工作至热平衡时的结温值，同时，也可以得到灯具连续工作热平衡时的结温值，同时，也可以得到灯具连续工作至热平衡时热沉上参考点的温度值。至热平衡时热沉上参考点的温度值。四、回顾和总结四、回顾和总结 对对LEDLED结温的测量和控制，是结温的测量和控制，是LEDLED进入照明领域不可缺进入照明领域不可缺少的重要步骤，它使少的重要步骤，它使LEDLED器件与器件与LEDLED照明器具前后工序照明器具前后工序有机地结合起来。通过对有机地结合起来。通过对LEDLED的的V Vf fTTJ J曲线标定，并利曲线标定，并利用这一曲线能指导并控制用这一曲线能指导并控制LEDLED在预定的结温下测量光、在预定的结温下测量光、色、电参数，使色、电参数，使LEDLED这些参数的测量值更接近于实际这些参数的测量值更接近于实际应用状态的参数，另外应用状态的参数，另外LEDLED的预定结温的确定也给的预定结温的确定也给LEDLED照明器具设计者指明了散热控制的限值。同样通过对照明器具设计者指明了散热控制的限值。同样通过对照明器具内照明器具内LEDLED的的V Vf fTTJ J曲线标定，能测量出照明器具曲线标定，能测量出照明器具在额定的在额定的tata条件下的条件下的LEDLED结温，这不仅能评价结温，这不仅能评价LEDLED器具器具散热设计的合理性，而且还揭示出散热设计的合理性，而且还揭示出LEDLED热沉上参考点热沉上参考点温度与结温的函数关系，并进一步得知温度与结温的函数关系，并进一步得知LEDLED的的PNPN结到结到器具上某点的热阻，从而指导器具上某点的热阻，从而指导LEDLED照明器具的生产企照明器具的生产企业能正确地标明参考点温度的限值，并能通过测量参业能正确地标明参考点温度的限值，并能通过测量参考点的温度而得知考点的温度而得知LEDLED的工作结温。的工作结温。这一检验方法的意义这一检验方法的意义LED照明灯具在正常工作时，其散热特性的好照明灯具在正常工作时，其散热特性的好坏直接关系到光效，光衰和使用寿命，对应的坏直接关系到光效，光衰和使用寿命，对应的指标是指标是LED工作时的工作时的PN结结温及散热的热阻，结结温及散热的热阻，如果这两个指标做好了，就说明该灯具在效率如果这两个指标做好了，就说明该灯具在效率和使用寿命方面是有保证的，就如对人体的检和使用寿命方面是有保证的，就如对人体的检查，如果验血的指标、彩色查，如果验血的指标、彩色CT的检查及血液的检查及血液造影结果都是好的话，这个人身体一定是健康造影结果都是好的话，这个人身体一定是健康的一样的道理。的一样的道理。本检验方法的意义就在于，建立了本检验方法的意义就在于，建立了LED照明灯照明灯具具“验血和彩色验血和彩色CT的检查仪的检查仪”及其方法。及其方法。*目前，对目前，对LEDLED不仅能描绘目前不仅能描绘目前LEDLED的的V Vf fTJ曲线，还能曲线，还能得知得知LEDLED的某一状态光效及色参数是在什么结温条件下的某一状态光效及色参数是在什么结温条件下测得的。测得的。*不仅能测量不仅能测量LEDLED光源的参数，还能在灯具内标定指定光源的参数，还能在灯具内标定指定LEDLED的的V Vf fTJ曲线，并能得到灯具热平衡时的结温和热曲线，并能得到灯具热平衡时的结温和热阻参数，这种测量手段既能衡量出阻参数，这种测量手段既能衡量出LEDLED照明器具的散热照明器具的散热水平和状态，还能为改进设计提供直接的依据。可以水平和状态，还能为改进设计提供直接的依据。可以预见，这一方法的确立将是指导预见，这一方法的确立将是指导LED照明器具改进设照明器具改进设计、制造环节，使计、制造环节，使LED照明器具设计和生产技术走向照明器具设计和生产技术走向更高层次的有力推手。更高层次的有力推手。本检验机构这方面的能力本检验机构这方面的能力报告人的信息报告人的信息上海市质量监督检验研究院上海市质量监督检验研究院国家电光源质量监督检验中心（上海）副主任国家电光源质量监督检验中心（上海）副主任国家灯具质量监督检验中心国家灯具质量监督检验中心上海时代之光照明电器检测有限公司技术负责人上海时代之光照明电器检测有限公司技术负责人教授级高工；高级审核员；教授级高工；高级审核员；3C高级工厂检查员；高级工厂检查员；国家认监委国家认监委3C认证认证TC05照明电器技术组组长照明电器技术组组长全国照明电器标准化技术委员会委员全国照明电器标准化技术委员会委员照明基础分委员会副主任委员照明基础分委员会副主任委员俞俞安安琪琪 Tel:[phone]转转3052网址：网址：E-mail:谢谢！E-mail:上海市苍梧路上海市苍梧路381号号C楼楼 200233电话电话:[phone] 传真传真:54264342国家电光源质量监督检验中心（上海）国家电光源质量监督检验中心（上海）国家灯具质量监督检验中心国家灯具质量监督检验中心上海时代之光照明电器检测有限公司上海时代之光照明电器检测有限公司