專利名稱：發(fā)光二極管的輸出通量測量的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用發(fā)光二極管(LED)的照明器件，具體涉及使用考慮LED性能的 反饋對這種器件的控制。
背景技術：
使用諸如LED之類的固態(tài)器件的照明正在迅猛發(fā)展。使用LED來照明與使用 傳統(tǒng)光源相比具有若干優(yōu)點，包括高效率(流明每瓦)、小形狀因子以及耐久性。據(jù)報道 LED的平均壽命接近50000個小時，而白熾燈泡的平均壽命為2000個小時。因此，在更 換起來困難的照明器材(路燈、交通信號等)中和/或出于安全原因需要較高可靠性的器 材(汽車燈)中，LED是優(yōu)選光源。盡管事實上LED具有長壽命，但是與許多其他光源一樣，來自LED的光輸出隨 時間衰減(通過老化過程)。這最終導致LED失效。已經(jīng)建議在LED的光輸出級別為 其初始值的70%時必須進行更換。根據(jù)LED的工作條件，需要更換LED的時間變化極大。當前，根據(jù)固定時間 安排來更換包括LED的光源。這樣，一些仍可工作的燈被丟棄。同樣會發(fā)生的是，光 源在其下次安排的維護之前燒壞。顯然，根據(jù)固定時間安排的維護對于照明器材尤其是 對于那些在很難到達的位置處以及注重安全性(或成本)的照明器材來說并不是最佳解決方案。已知希望通過將LED光輸出通量與其初始值相比較來進行對LED器材的維護時 間安排，以及控制LED光輸出和顏色(在不同顏色LED的群集的情況下)。傳統(tǒng)上，通過諸如光電二極管之類的外部光傳感器來監(jiān)控和測量LED光輸出。 該方法是魯棒的但是具有幾個缺點。首先，需要外部傳感器以及至該傳感器的引線。這 增加了系統(tǒng)的總成本。其次，如果LED照明系統(tǒng)包括多于一個LED，則需要多個傳感器 或在傳感器與LED之間的時間共享機構。在多個LED共享一個傳感器的情況下，對傳 感器的性能要求通常在速度、精度以及動態(tài)范圍方面非常高。此外，連接至傳感器的信號處理電路還必須具有高性能并因此具有較高成本。 使用外部光傳感器來確定LED通量輸出的量在理想照明條件下(即，在沒有受到其他光 源干擾的情況下)是相當精確的。然而，在非理想照明條件下會出現(xiàn)不精確。最后，光 傳感器的劣化以及傳感器與LED之間的光路的劣化也會造成方法的不精確。因此，需要一種在無需使用光傳感器的情況下估計LED的輸出通量的方法。因 此，上述現(xiàn)有LED光輸出監(jiān)控/測量方法的大多數(shù)問題是可以克服的。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種估計發(fā)光二極管的輸出光通量的方法，包括在包括測試周期的時間段內對LED施加驅動電流波形；在測試周期期間監(jiān)控LED上的正向電壓；以及
根據(jù)正向電壓的變化估計輸出光通量。該方法利用LED的電特性，以便提供輸出通量的估計。具體地，發(fā)現(xiàn)正向電壓 對LED的電流應力進行響應的方式隨著LED老化而不同。因此，對該電壓的演變的測 量可以用于提供對輸出通量變化的估計。本發(fā)明使得能夠在任何時候估計光通量，而無需使用外部光傳感器。這使得能 夠利用在組件和引線數(shù)目方面不復雜的系統(tǒng)監(jiān)控和控制LED性能，最終導致成本節(jié)省。該方法還可以包括確定老化之前的輸出光通量，以及在根據(jù)正向電壓的變化 估計輸出光通量中使用所述老化之前的輸出光通量。因此，考慮LED的初始特性，正向 電壓監(jiān)控提供了對LED特性變化的遞增分析。優(yōu)選地，確定在測試周期期間施加到LED的電功率，也在根據(jù)正向電壓的變化 估計輸出光通量中使用上述在測試周期期間施加到LED的電功率。驅動電路波形可以包括用于對LED施加電流應力的相對高的電流部分以及相對 低的測量電流部分，其中，在相對低的測量電流部分期間監(jiān)控正向電壓。該方法使用測量電路脈沖以便以低非零電流驅動LED。這允許在LED工作的同 時進行LED分析。低測量電流脈沖與高電流LED驅動脈沖(以方波脈沖序列的形式)交 替。在相對高的電流部分結束之后測量電流部分開始處測量正向電壓，隨后在測量 電流部分期間正向電壓已經(jīng)穩(wěn)定時測量正向電壓。在一個示例中，將估計的輸出光通量確定為Φ^ = Φ 一.Zv-.0"
Iighf _ pristine\ 1 ^其中，Φ.是老化之后的輸出通量，Opnstm6是老化前的輸出通量，Pllght—ag6是提 供給老化之后的LED的、引起光輸出而不是加熱的功率，以及Pllghumst■是提供給老化之 前的LED的、引起光輸出而不是加熱功率，其中，根據(jù)以下等式獲得Pllght—age :
AVf agePtighl = Pin age -Phea, prisiim 八 y/
一—“^Vf_pristwe(U)其中，Pm_age是總輸入功率，Pteat—pnst■是提供給老化之前的LED的、引起加熱而 不是光的功率，AVfage是老化之后在相對高的電流部分之前與之后測量的正向電壓的差 值，以及ΔVfpnst■是老化之前在相對高的電流部分之前與之后測量的正向電壓的差值。在該方法中，利用具有大于零的兩個不同電流幅度的電流脈沖來驅動LED，并 且測量LED的正向電壓隨時間的響應。根據(jù)該數(shù)據(jù)，可以計算加熱LED的功率量。使 用能量守恒定律，計算LED內轉化成光的功率量(Pllght = Pm-Pheat)，從而計算LED的光 輸出通量。例如，測量電流部分小于或等于1mA。驅動電流波形可以包括在相對高電流值 與相對低電流值之間切換的方波。保持低電流必要的時間長度，以使低電流處的前向壓 降穩(wěn)定。可以監(jiān)控正向電壓隨時間的變化，以確定何時正向電壓已經(jīng)穩(wěn)定。本發(fā)明還提供了一種用于估計發(fā)光二極管的結溫度的系統(tǒng)，包括用于在包括測試周期的時間段內對LED施加驅動電流波形的裝置；用于在測試周期期間監(jiān)控LED上的正向電壓的裝置；以及
用于根據(jù)正向電壓的變化估計輸出光通量的裝置。


根據(jù)附圖描述本發(fā)明的示例，在附圖中圖1示出了響應于電流應力的LED正向電壓的響應，以解釋本發(fā)明的方法；圖2A至2D是解釋本發(fā)明的方法使用的結溫度測量的方法的圖；圖3示出了用于估計本發(fā)明的輸出光通量的系統(tǒng)；圖4示出了一個參數(shù)如何隨LED老化而保持恒定；圖5示出了對電流應力的正向電壓響應如何隨老化而變化；圖6示出了 LED所汲取的輸入功率如何隨老化而變化；圖7示出了用于測試本發(fā)明的方法的系統(tǒng)；圖8示出了用于測試本發(fā)明的方法的測試序列；以及圖9示出了測試結果。
具體實施例方式本發(fā)明基于以下認識可以基于LED對電流脈沖的響應來確定LED的性能，具 體地，LED結溫度的量由于電流脈沖而增加。該溫度增加的效果可以根據(jù)LED性能的電 分析來確定，而無需外部傳感器。具體地，本發(fā)明基于以下認識正向電壓的分析使得 能夠確定輸出通量。該溫度增加量與加熱LED所需的功率量成比例。已知提供給LED的總輸入功 率的情況下，基于能量守恒定律，可以計算LED內轉化成光的功率量，該功率量與執(zhí)行 測量時LED的光通量輸出成比例。在LED的壽命期間的不同時刻，可以計算輸出通量 及其與LED的初始值的關系。圖1示出了電流脈沖1，以及用隨時間的正向電壓2表示的LED對電流脈沖的響 應。電流脈沖需要引起顯著的溫度上升，這種顯著的溫度上升取決于LED的大小以及連 接至LED的系統(tǒng)的熱容。應力脈沖可以具有以秒為單位的持續(xù)時間，例如，1到30秒， 更優(yōu)選地5到20秒。電流可以具有安培的量級，例如，0.5到10A。例如，可以使用IOs 持續(xù)時間的2.25A脈沖。左曲線示出了新LED的響應，而右曲線示出了老化LED的響應。老化的LED 響應于電流脈沖經(jīng)歷更大的正向電壓上升，并且這反映了增加的加熱。正向電壓與LED 結加熱之間的這種聯(lián)系形成申請人最新設想的系統(tǒng)的基礎，該系統(tǒng)用于測量LED的結溫 度，無需專用傳感器而可以使用LED的電特性。在WO 2009/095853 (在WO 2009/095854中有修改)中描述了結溫度測量系統(tǒng)。首先概述該結溫度測量系統(tǒng)，并且讀者可以參考2009/095853以獲得更詳細的 內容。結溫度測量系統(tǒng)提供了一種通過使用方波電流脈沖以良好精度測量LED的結溫 度的方法(和裝置)，在方波電流脈沖中，高電平(Ihlgh)是LED的工作電流，低電平是測 量電流。通過監(jiān)控LED隨時間的正向電壓(Vf)，可以找到兩個主導值(如果工作電流在 監(jiān)控周期內為恒定)，其中的一個代表工作期間LED結的實際溫度?？梢允褂们跋驂航档闹狈綀D來進行數(shù)據(jù)分析，或者可以采用單獨測量。圖2A至2D是示意性表示所述方法的圖。圖2A示出了施加給LED的驅動電流。脈沖式的電流源用于驅動LED。脈沖將 前向偏置電流驅動通過二極管，電流采用在高電流值與低電流值之間切換的方波形式。低電流值是測量電流，優(yōu)選地，小于或等于1mA。更優(yōu)選地，該電流小于 500 μ A，更優(yōu)選地，小于100 μ Α，更優(yōu)選地，小于50 μ Α，更加優(yōu)選地，小于10 μ Α， 例如，在5μ A的范圍內。期望低測量電流(例如，小于ImA)有兩個主要原因。首先，如果以大電流驅動 LED,則自加熱效應開始，這意味著獲得較低精確測量。申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，自加熱效應 在ImA電流以上很顯著。自加熱效應取決于LED封裝的熱設計，因此針對不同的LED 設計而不同。其次，電流越大，LED越亮。在諸如2D調光TV之類的應用中，從背光發(fā)出 的最小亮度級不應高于最大照明水平的1%。該2D調光系統(tǒng)是背光控制方法，其中，僅 照亮背光的一部分，使得可以獲得圖像的亮區(qū)與暗區(qū)之間的改善的對比度。希望用于測量相位的低光輸出意味著需要最低可能電流，但是需要該電流足 以使LED前向偏置，以便可以測量電壓。當選擇測量電流時考慮這些因素，值取決于LED的預期使用、封裝的熱特性以 及LED特性。圖2B示出了獲得的二極管上的前向偏置壓降Vf。在WO 2009/095853中的一個示例中，以規(guī)則間隔對前向偏置壓降進行采樣，采 樣時刻如圖2B中實心圓所示。在每個采樣時刻處測量電壓，直方圖計數(shù)器監(jiān)控該LED電壓Vf，并確定壓降的
主導值。這可以通過創(chuàng)建如圖2C所示的直方圖來實現(xiàn)。如圖所示，計數(shù)數(shù)目存在兩個峰 值。與較高壓降相對應的計數(shù)數(shù)目峰值來自驅動電流(如圖IA中的常量所示)。與較 低壓降相對應的計數(shù)數(shù)目峰值來自測量電流，并且該峰值表示低電流測量值處的前向偏 置壓降。在WO 2009/095853中，通過將對應于測量電流的主導前向偏置壓降與校準曲線 相關聯(lián)，或者通過前向偏置電壓Vf與溫度T之間關系的分析模型，來確定LED結溫度。 在圖2D中示意性示出了這種關系。然后使用分析函數(shù)然后定義圖2D所示的關系，從而 給出非常低的存儲器需求。在WO 2009/095853中，這用于實現(xiàn)對LED光和顏色輸出的 非常平滑的控制，以及所需驅動電流的模擬解決方案(而不是離散的解決方案)。LED的輸出通量受電流驅動序列的高電流值以及脈沖頻率和占空比的控制。然 而，在整個工作期間測量電流值不變。低電流(例如，小于ImA)處測量壓降(從而測量溫度)的優(yōu)點在于在諸如針 對LCD面板的背光之類的一些應用中，使能實現(xiàn)調光操作，在調光操作中，需要對于光 輸出變化以及亮與暗之間高對比度的需求的快速動態(tài)響應。可以通過改變電流波形的占 空比來改變光輸出，低測量電流引起非常小的光發(fā)射，使得可以獲得良好的暗性能。本發(fā)明不需要結溫度的實際估計。重要的是，正向電壓的分析考慮結溫度，結溫度與如何高效地將輸入功率轉換成光而不是熱有關。隨著LED的老化，至光的轉換變 得效率低，而至熱的轉換變得更顯著。因此，對加熱效應的監(jiān)控可以用于實現(xiàn)對LED老 化狀態(tài)的估計，從而實現(xiàn)對輸出通量的估計。圖3示出了用于估計LED的輸出光通量的系統(tǒng)。電流源電路10用于將前向偏置電流驅動通過LED 11，該電流包括上述方波。任 何適合的電流源電流可以用于此目的。電壓測量電路12對前向偏置壓降進行采樣，并且將采樣提供給處理器14。處理 器14實現(xiàn)以下進一步描述的處理。WO 2009/095853的結溫度估計方法實質上基于根據(jù)LED正向電壓的溫度估計，
具體地，使用以下方程 Δ F,
權利要求
1.一種估計發(fā)光二極管LED的輸出光通量的方法，包括在包括測試周期的時間段內對LED施加驅動電流波形；在測試周期期間監(jiān)控LED上的正向電壓(Vf)；根據(jù)正向電壓的變化(AVf)估計輸出光通量。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括確定(44)老化之前的輸出光通量，以及在 根據(jù)正向電壓的變化估計輸出光通量中使用所述老化之前的輸出光通量。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，還包括確定在測試周期期間施加到LED的電功 率，以及在根據(jù)正向電壓的變化估計輸出光通量中使用所述電功率。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，驅動電流波形包括用于對LED 施加電流應力的相對高的電流部分(Ihlgh)、以及相對低的測量電流部分(Ikjw),其中，在 相對低的測量電流部分期間監(jiān)控正向電壓(Vf)。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，在相對高的電流部分(Ihlgh)結束之后、在測量 電流部分(Ikjw)開始處測量正向電壓(Vf)，隨后在測量電流部分期間正向電壓已經(jīng)穩(wěn)定時 測量正向電壓(Vf)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，所估計的輸出光通量被確定為
7.根據(jù)權利要求4、5或6所述的方法，其中，測量電流部分小于或等于1mA。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，驅動電流波形包括在相對高電流 值(Ihlgh)與相對低電流值(IkJ之間切換的方波，在測試周期期間，在足以使前向電壓穩(wěn) 定的時間上，保持相對低電流值。
9.一種用于估計發(fā)光二極管LED的結溫度的系統(tǒng)，包括用于在包括測試周期的時間段內對LED施加驅動電流波形的裝置(10、14)；用于在測試周期期間監(jiān)控LED上的正向電壓的裝置(12)；以及用于根據(jù)正向電壓的變化估計輸出光通量的裝置。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，驅動電流波形包括用于對LED施加電流應 力的相對高的電流部分(Ihlgh)、以及相對低的測量電流部分(Ikjw),其中，用于監(jiān)控的裝 置(12)在相對低的測量電流部分期間監(jiān)控正向電壓。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其中，用于監(jiān)控的裝置(12)在相對高的電流部分 (Ihlgh)結束之后、在測量電流部分(Ikjw)開始處測量正向電壓，隨后在測量電流部分期間 正向電壓已經(jīng)穩(wěn)定時測量正向電壓。
12.根據(jù)權利要求11所述的系統(tǒng)，其中，用于估計輸出光通量的裝置將光輸出通量確 定為
13.—種發(fā)光二極管LED控制系統(tǒng)，包括根據(jù)權利要求9至12中任一項所述的用于估計輸出光通量的系統(tǒng)；以及用于根據(jù)估 計的輸出光通量溫度來驅動LED的LED驅動電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種估計發(fā)光二極管的輸出光通量的方法，包括在包括測試周期的時間段內對LED施加驅動電流波形，在測試周期期間監(jiān)控LED上的正向電壓，以及根據(jù)正向電壓的變化估計輸出光通量。
文檔編號G01J1/00GK102012311SQ20101027530
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月6日 優(yōu)先權日2009年9月7日
發(fā)明者帕斯卡爾·貝思肯, 拉杜·蘇爾代亞努, 菲特·恩古耶恩霍安 申請人:Nxp股份有限公司