本發(fā)明涉及LED結(jié)溫測量領(lǐng)域，特別是涉及一種新型的LED結(jié)溫測量方法。

背景技術(shù)：

LED以其節(jié)能環(huán)保，發(fā)光效率高，使用壽命長，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)在顯示、照明、通訊等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但隨著單顆LED芯片功率地不斷提高，發(fā)熱問題不容忽視。LED正常工作時，有70%的能量轉(zhuǎn)化為熱能，這將直接導(dǎo)致芯片結(jié)溫上升，光通量下降，使用壽命縮短并產(chǎn)生一定的色偏，因此，在改進(jìn)LED散熱的同時，還需要對LED結(jié)溫實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行有效分析。而這都離不開對LED結(jié)溫的測量。

現(xiàn)有的LED結(jié)溫測量方式主要有光學(xué)測量法、熱阻測量法、電學(xué)參數(shù)法等。其中，光學(xué)測量法脫離LED芯片實(shí)際工作環(huán)境，且所需測量設(shè)備價格昂貴；熱阻測量法中熱阻值的測量難度較大，且所需測量參數(shù)較多，易導(dǎo)致誤差積累。電學(xué)參數(shù)法是依據(jù)恒定電流下，結(jié)溫與電壓基本線性的關(guān)系來求解結(jié)溫。該方法雖然能夠快速準(zhǔn)確地測量LED結(jié)溫，但測量只限于電流為小幅窄脈沖情況下，而這種情況下，芯片易出現(xiàn)閃爍且結(jié)溫快速跌落，不利于LED結(jié)溫的實(shí)時監(jiān)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供明一種新型的LED結(jié)溫測量方法，簡便實(shí)用，便于實(shí)時檢測與實(shí)時監(jiān)測的LED結(jié)溫測量方法，且該方法具備一定的精度。

本發(fā)明采用以下方案實(shí)現(xiàn)：一種新型的LED結(jié)溫測量方法，包括以下步驟：

步驟S1：提供一LED芯片結(jié)溫數(shù)據(jù)測量提取裝置，包括脈沖電流發(fā)生器，用以測試的LED芯片，恒溫設(shè)備，數(shù)據(jù)采集裝置，計算機(jī)；

步驟S2：將LED芯片置于一恒溫設(shè)備中，測量在不同恒定結(jié)溫T條件下，不同輸入電流I下的LED芯片的輸入電壓U，并獲得U-I-T的曲面圖；

步驟S3：根據(jù)測量得到的輸入電壓U、輸入電流I和結(jié)溫T數(shù)據(jù)，在所述計算機(jī)中通過MATLAB獲得以輸入電壓U和輸入電流I為變量的LED結(jié)溫T的模型表達(dá)式；

步驟S4：將LED芯片實(shí)時的輸入電流I和輸入電壓值U代入步驟S3得到的LED結(jié)溫T的模型表達(dá)式，得到此時LED芯片的結(jié)溫，即實(shí)現(xiàn)LED結(jié)溫的實(shí)時檢測與實(shí)時監(jiān)測。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，測量在不同恒定結(jié)溫T條件下，不同輸入電流I下的LED芯片的輸入電壓U，并獲得U-I-T的曲面圖的具體包括以下步驟：

步驟S21：將LED芯片放置于所述恒溫設(shè)備中，所述LED芯片的兩端與脈沖電流發(fā)生器的兩端連接；

步驟S22：當(dāng)LED芯片達(dá)到熱穩(wěn)定時，其結(jié)溫為恒溫設(shè)備內(nèi)部溫度，脈沖電流發(fā)生器產(chǎn)生一個幅值恒定的脈沖電流I輸入LED芯片，利用與所述LED芯片相連的數(shù)據(jù)采集裝置記錄此時的輸入電壓U；

步驟S23：調(diào)節(jié)恒溫設(shè)備溫度，返回步驟S22，重復(fù)數(shù)據(jù)測試采集過程，得到一系列不同結(jié)溫，不同脈沖電流下對應(yīng)的輸入電壓。

進(jìn)一步地，所述步驟S3中，所述計算機(jī)與所述數(shù)據(jù)采集裝置相連，所述數(shù)據(jù)采集將步驟S2采集到的測量數(shù)據(jù)傳輸至所述計算機(jī)，所述MATLAB擬合步驟S21中LED芯片在不同結(jié)溫下的輸入電流和輸入電壓值，獲得以輸入電壓U和輸入電流I為變量的LED結(jié)溫T的具體模型表達(dá)式，即提取建立結(jié)溫T模型所需的參數(shù)。

特別地，所述步驟S22中，將LED芯片置入能控溫的恒溫設(shè)備中，當(dāng)LED達(dá)到熱穩(wěn)定時，LED的結(jié)溫與恒溫設(shè)備內(nèi)溫度一致，此時通過脈沖電流發(fā)生器給LED芯片通入一幅值恒定并且脈沖時間足夠短的脈沖電流I，通過數(shù)據(jù)采集裝置獲得通入脈沖電流所對應(yīng)的電壓值；所述步驟S23中改變恒溫設(shè)備溫度，給予LED芯片在恒溫條件內(nèi)足夠長的熱交換時間，如2min后，LED芯片即可重新達(dá)到熱穩(wěn)定。

進(jìn)一步地，所述步驟S3中，利用MATLAB獲得LED結(jié)溫關(guān)于輸入電壓U與輸入電流I的表達(dá)式的具體方法為：在0℃以上，輸入電流I在0-2A的范圍內(nèi)，U與I近似為多次項(xiàng)的關(guān)系，U與T為近似線性關(guān)系；

將LED芯片的電路模型等效為一個理想二極管和一個電阻R串聯(lián)，則LED的伏安特性為：

式中I為輸入電流，Is為反向飽和電流，q為電子電量，U為輸入電壓，R為串聯(lián)電阻，n為理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為結(jié)溫；

通過泰勒級數(shù)展開，LED伏安特性的電壓模型可簡化為：

U(I,T)＝(C₁I³+C₂I²+C₃I+C₄)(C₅T+1)

表達(dá)式中C1，C2，C3，C4，C5為常系數(shù)，可通過對實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到；

LED的結(jié)溫公式為：

特別地，本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的原理是：

通常LED的等效電路模型為一個理想二極管與一個電阻R串聯(lián)，其中理想二極管滿足Schockley方程可表達(dá)為：

式中I為輸入電流，I_s為反向飽和電流，q為電子電量，U為輸入壓降，R為等效電阻，n為理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為結(jié)溫，由于exp[q(U-IR)/nkT]＞＞1，因此省略-1，方程改寫為：

\*MERGEFORMAT(1)

由上式可以獲得LED的電壓表達(dá)式為：

\*MERGEFORMAT(2)

當(dāng)輸入電流在0-2A范圍時，可將上式泰勒展開，得到：

\*MERGEFORMAT(3)

則可知U是關(guān)于I的多次表達(dá)式，可以簡寫為：

U＝A₁+A₂I+A₃I²+A₄I³+…

\*MERGEFORMAT(4)

其中，系數(shù)A₁，A₂，A₃，A₄為系數(shù)。

R與I_s是一個與溫度有關(guān)的函數(shù)，在半導(dǎo)體材料雜質(zhì)完全電離，本征激發(fā)可以忽略,且工作溫度高于0℃的條件下，將式的U對T求導(dǎo)，最終可得：

\*MERGEFORMAT(5)

其中B₁，B₂，B₃為系數(shù)。由上式可知，在恒流下，U與T近似線性關(guān)系。

根據(jù)和，LED正向電壓模型可表示為式，U是一個與電流I呈三次關(guān)系，與結(jié)溫呈一次關(guān)系的函數(shù)：

U(I,T)＝(C₁I³+C₂I²+C₃I+C₄)(C₅T+1)

\*MERGEFORMAT(6)

其中，C₁，C₂，C₃，C₄，C₅為LED在0℃時的系數(shù)。

根據(jù)式可得以輸入電壓U和輸入電流I為變量的LED結(jié)溫T的模型為：

\*MERGEFORMAT(7)

式中，C₁，C₂，C₃，C₄，C₅為系數(shù)，可通過實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明將LED的結(jié)溫T的表達(dá)式僅用電壓U和電流I兩個變量來表示，而不需要難測的熱阻，熱容參數(shù)，甚至連LED的反向飽和電流Is都不需要，大大簡化了LED結(jié)溫測試過程，并能實(shí)現(xiàn)LED結(jié)溫的實(shí)時檢測和實(shí)時監(jiān)測。避免了傳統(tǒng)的LED結(jié)溫測量方法中設(shè)備昂貴，脫離實(shí)際工作場合等問題，極大簡化了LED的結(jié)溫測量過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)溫模型參數(shù)的提取裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明測量CREE XRE U-I曲線與實(shí)際U-I的曲線對比圖

圖3是本發(fā)明測量的CREE XRE結(jié)溫曲線與實(shí)際結(jié)溫的曲線對比圖

圖4是本發(fā)明測量CREE XRE擬合出的U-I-T曲面圖。

圖中：1-脈沖電流源；2-數(shù)據(jù)采集裝置；3-用以測量的LED芯片；4-恒溫設(shè)備，包括油浴鍋，恒溫箱等。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例提供一種新型的LED結(jié)溫測量方法，包括以下步驟：

步驟S1：提供一LED芯片結(jié)溫數(shù)據(jù)測量提取裝置，包括脈沖電流發(fā)生器，用以測試的LED芯片，恒溫設(shè)備，數(shù)據(jù)采集裝置，計算機(jī)；

步驟S2：將LED芯片置于一恒溫設(shè)備中，測量在不同恒定結(jié)溫T條件下，不同輸入電流I下的LED芯片的輸入電壓U，并獲得U-I-T的曲面圖；

步驟S3：根據(jù)測量得到的輸入電壓U、輸入電流I和結(jié)溫T數(shù)據(jù)，在所述計算機(jī)中通過MATLAB獲得以輸入電壓U和輸入電流I為變量的LED結(jié)溫T的模型表達(dá)式；

步驟S4：將LED芯片實(shí)時的輸入電流I和輸入電壓值U代入步驟S3得到的LED結(jié)溫T的模型表達(dá)式，得到此時LED芯片的結(jié)溫，即實(shí)現(xiàn)LED結(jié)溫的實(shí)時檢測與實(shí)時監(jiān)測。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，測量在不同恒定結(jié)溫T條件下，不同輸入電流I下的LED芯片的輸入電壓U，并獲得U-I-T的曲面圖的具體包括以下步驟：

步驟S21：將LED芯片放置于所述恒溫設(shè)備中，所述LED芯片的兩端與脈沖電流發(fā)生器的兩端連接；

步驟S22：當(dāng)LED芯片達(dá)到熱穩(wěn)定時，其結(jié)溫為恒溫設(shè)備內(nèi)部溫度，脈沖電流發(fā)生器產(chǎn)生一個幅值恒定的脈沖電流I輸入LED芯片，利用與所述LED芯片相連的數(shù)據(jù)采集裝置記錄此時的輸入電壓U；

步驟S23：調(diào)節(jié)恒溫設(shè)備溫度，返回步驟S22，重復(fù)數(shù)據(jù)測試采集過程，得到一系列不同結(jié)溫，不同脈沖電流下對應(yīng)的輸入電壓。

在本實(shí)施例中，所述步驟S3中，所述計算機(jī)與所述數(shù)據(jù)采集裝置相連，所述數(shù)據(jù)采集將步驟S2采集到的測量數(shù)據(jù)傳輸至所述計算機(jī)，所述MATLAB擬合步驟S21中LED芯片在不同結(jié)溫下的輸入電流和輸入電壓值，獲得以輸入電壓U和輸入電流I為變量的LED結(jié)溫T的具體模型表達(dá)式，即提取建立結(jié)溫T模型所需的參數(shù)。

在本實(shí)施例中，所述步驟S22中，將LED芯片置入能控溫的恒溫設(shè)備中，當(dāng)LED達(dá)到熱穩(wěn)定時，LED的結(jié)溫與恒溫設(shè)備內(nèi)溫度一致，此時通過脈沖電流發(fā)生器給LED芯片通入一幅值恒定并且脈沖時間足夠短的脈沖電流I，通過數(shù)據(jù)采集裝置獲得通入脈沖電流所對應(yīng)的電壓值；所述步驟S23中改變恒溫設(shè)備溫度，給予LED芯片在恒溫條件內(nèi)足夠長的熱交換時間，如2min后，LED芯片即可重新達(dá)到熱穩(wěn)定。

在本實(shí)施例中，所述步驟S3中，利用MATLAB獲得LED結(jié)溫關(guān)于輸入電壓U與輸入電流I的表達(dá)式的具體方法為：在0℃以上，輸入電流I在0-2A的范圍內(nèi)，U與I近似為多次項(xiàng)的關(guān)系，U與T為近似線性關(guān)系；

將LED芯片的電路模型等效為一個理想二極管和一個電阻R串聯(lián)，則LED的伏安特性為：

式中I為輸入電流，Is為反向飽和電流，q為電子電量，U為輸入電壓，R為串聯(lián)電阻，n為理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為結(jié)溫；

通過泰勒級數(shù)展開，LED伏安特性的電壓模型可簡化為：

U(I,T)＝(C₁I³+C₂I²+C₃I+C₄)(C₅T+1)

表達(dá)式中C1，C2，C3，C4，C5為常系數(shù)，可通過對實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到；

LED的結(jié)溫公式為：

。

在本實(shí)施例中，根據(jù)圖1的結(jié)溫模型參數(shù)的提取裝置示意圖連接好測量實(shí)驗(yàn)裝置，本實(shí)施例中采用的LED樣品型號為CREE XRE，恒溫設(shè)備選用可控溫油浴鍋，將該設(shè)備調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度，脈沖輸入電流幅值為0.05至1.6A，其中在0.05-0.4A區(qū)間,電流步長為0.05A,在0.4-1.6A之間，電流步長為0.1A，測得此時對應(yīng)的各值，其中測完一次電壓U，每個電流脈沖寬度不超過20ms,每兩次測量的時間間隔不低于2min，確保LED樣品在測試過程中，結(jié)溫近似保持與設(shè)定油溫一致。則在50℃結(jié)溫時的U-I曲線如圖2所示，為：

U＝0.1805I³-0.7562I²+1.286I+2.6302

獲得在固定油溫下的U-I曲線后，改變油浴鍋的油溫，按照相同的方法，重新測試上述脈沖電流下所對應(yīng)的電壓值。此次測試完成了設(shè)定油溫分別是30℃，35℃，40℃，50℃，60℃，70℃的數(shù)據(jù)測量。則根據(jù)CREE XRE的技術(shù)參數(shù)，我們?nèi)?.8A時的U-T關(guān)系進(jìn)行擬合，效果如圖3所示，曲線為：

U＝-0.0044T+3.4567

根據(jù)以上所測試的數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件擬合得圖4，該LED樣品的LED結(jié)溫T模型表達(dá)式為：

其中模型參數(shù)：C1=0.1690，C2=-0.7080，C3=1.2041，C4=2.4627，C5=0.0041。

根據(jù)圖4可以看出該公式與實(shí)測點(diǎn)的擬合效果達(dá)到了較為理想的吻合。驗(yàn)證了本方法、模型及理論公式的有效性與精確性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。