LED照明產(chǎn)品檢測中的缺陷及改善

一、 序言

LED 照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現在,我們對LED 照明產(chǎn)品標準和檢測方法的回顧、小結的時(shí)候已經(jīng)基本到來(lái)。傳統的 LED 及其模塊光、色、電參數檢測方法有電脈沖驅動(dòng),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(jìn)入照明器具內的實(shí)際工作情況都相差甚遠。文章介紹了通過(guò)Vf—TJ 曲線(xiàn)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(shí)也使LED 及其模塊的光、色、電參數的測量參數更接近于實(shí)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(diǎn)的限值溫度與結溫的函數關(guān)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(gè)有效的途徑。

二、 LED 模塊的光電參數和檢測方法的現狀和改進(jìn)方法

1、傳統的LED 模塊的檢測方法

目前傳統的 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(shí)測量光譜儀的同步聯(lián)動(dòng),即對LED 發(fā)出數十毫秒～數佰毫秒恒流的脈沖電流的同時(shí),同步打開(kāi)瞬時(shí)測量光譜儀器的快門(mén),對LED 發(fā)出的光參數(光通量、光色參數等)進(jìn)行快速檢測,同時(shí),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(guò)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(shí)際使用情況有明顯差異,這一般都是LED 芯片(器件)生產(chǎn)商采用的快速檢測方法,而與LED 實(shí)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(chēng)的工作電流,受傳統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(kāi)始測量它的光電參數。這種方法看似比較嚴密,但實(shí)際上,它的熱平衡條件和工作條件與此類(lèi)LED裝入最終的照明器具中的狀態(tài)仍沒(méi)有好的關(guān)聯(lián)性,因此所測的光電參數與今后實(shí)際的應用狀態(tài)的參數仍不具有可參比性。已經(jīng)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,在這方面是這樣規定的：“試驗或測量時(shí)LED模塊應工作在熱平衡狀態(tài)下,在監視環(huán)境溫度的同時(shí),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。如可能監測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(diǎn)的溫度”?？梢?jiàn)在監測結電壓的條件下來(lái)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(méi)有指明在模擬實(shí)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(jìn)

眾所周知,LED 的光、電參數特性與它的工作時(shí)的結溫密切相關(guān),同一個(gè)LED 產(chǎn)品,結溫的不會(huì )造成這些參數的明顯不同,這也造成了同一個(gè)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(lái)進(jìn)行。另外,LED 因為封裝的工藝、材料等差異,其聲稱(chēng)的最高工作結溫是明顯不同的,為了保證LED 照明產(chǎn)品具有高效、長(cháng)壽的特點(diǎn),LED 實(shí)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(shù),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(shí)踐證明,要使此類(lèi)LED 照明器具,到70%的光通維持率的時(shí)間要≥6 萬(wàn)小時(shí),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(lái)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?xún)r(jià)比來(lái)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(shí)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(jìn)行光、色、電參數的檢測問(wèn)題。

(1)目前LED 的結溫測量方法大概有

1)通過(guò)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(wú)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(dòng)技術(shù)來(lái)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(zhù)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(shù),對儀器分辨率要求高,只能測量未封裝的單個(gè)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(guān)系曲線(xiàn),來(lái)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,采用監視二極管PN 結電壓的變化來(lái)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(huì )刻出或值入1 個(gè)或幾個(gè)二極管,通過(guò)測量其正向電壓降的變化來(lái)達到測量芯片結溫的目的。

(2)目前國際上較先進(jìn)的Vf—TJ 測量方法

目前國際上先進(jìn)的 Vf—TJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線(xiàn)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(shí)硅油溫度下降的速度足夠慢,就可以認為L(cháng)ED 的結溫與LED 的熱沉的溫度是基本一致的,在此過(guò)程中,根據所測的硅油溫度,每下降2℃～10℃時(shí)瞬時(shí)給LED 輸入規定的電流脈沖,并測量其在這一溫度下的正向電壓降,把這一測量點(diǎn)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(kāi)始,隨溫度的下降,每下降一個(gè)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(chǎn)生一個(gè)Vf—TJ 曲線(xiàn)。這一方法屬于在溫度下降時(shí)測量方法,對于測量來(lái)說(shuō)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(shí),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(shí)溫度下降不致于太快,但當硅油缸溫度較低時(shí),因為與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢,這大大延長(cháng)了這一檢測過(guò)程的測量時(shí)間。因為上述原因,這一溫度下降時(shí)的測量方法在標定Vf—TJ 過(guò)程是不可能短的,(大約需4～5 小時(shí)),否則將產(chǎn)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(shí)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(shí)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(shí)間比例控制)方法來(lái)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(shí)間與不加熱時(shí)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(zhù)硅油溫度的逐步上升,與室溫的溫差也隨之加大,此時(shí)PID 加熱和控溫系統會(huì )自動(dòng)加大加熱時(shí)間與不加熱時(shí)間的比例,(實(shí)際加大了單位時(shí)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(huì )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(shí)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(gè)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(xiàn)。隨著(zhù)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(shí)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(gè)磁性感應的攪拌條,利用外部電機轉動(dòng)并通過(guò)磁感應帶動(dòng)這一攪拌磁條在油缸內轉動(dòng),這一轉動(dòng)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(shí)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(shí)間(從25℃到140℃約為2.5 個(gè)小時(shí)左右)能明顯低于目前國際上已有的檢測裝置的測量時(shí)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(gè)硅油缸可立刻開(kāi)始第二組LED 的檢測。本測量裝置在每一個(gè)測量溫度點(diǎn)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(xiàn)。

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

得到被測 LED 的Vf—TJ 的曲線(xiàn)后,最重要的是用于定結溫條件下的光、色、電參數測量。檢測系統見(jiàn)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(diǎn)15～20 分鐘基本達到穩定后,快速切換到測量電流(即前面標定Vf—TJ 曲線(xiàn)的測量電流)用數毫秒時(shí)間快速測定被測LED的正向電壓Vf,通過(guò)與Vf—TJ 曲線(xiàn)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(dòng)調整恒溫基座的溫度來(lái)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(dòng)回復使LED 通以工作電流的狀態(tài)。當被測LED 在通過(guò)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,系統將自動(dòng)啟動(dòng)光譜儀測量光、色參數同時(shí)讀取其電參數。

上述測量方法最明顯的優(yōu)點(diǎn)是,在LED 實(shí)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(jìn)入照明器具后結溫的測量

1、LED 進(jìn)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(shí),人們普遍希望具有幾萬(wàn)小時(shí)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(shí)間(6000h),這在很多工程招標和驗收時(shí)是無(wú)法實(shí)施的。

結溫作為衡量一個(gè) 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(diǎn)的熱阻這兩個(gè)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(lèi)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(diǎn)(參考溫度點(diǎn))與結溫之間的函數關(guān)系,從而指導企業(yè)正確地標出熱沉參考點(diǎn)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(jìn)行單個(gè)LED 或者單個(gè)LED 摸塊的結溫和熱阻的測量,還沒(méi)有完整的對照明器具內LED 實(shí)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(shí)際工作結溫和熱阻的測量方法。

1)Vf-TJ 曲線(xiàn)標定

(1)將照明器具內LED 矩陣中間的某一串聯(lián)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(gè)熱電偶。使燈具在25℃±2℃的環(huán)境下放置6～12 小時(shí)(視所測燈具的體積大小確定放置時(shí)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(shí)間為0.005S～2S,在此期間連續測量被測LED 的正向電壓降Vf 可得出如圖3 所示曲線(xiàn)。從該曲線(xiàn)上可得出該照明器具內被測LED 在通過(guò)某一恒定的測量電流時(shí),在單位的測量時(shí)間Δt 內Vf 下降的數值ΔVf。該數值留作下述檢測過(guò)程作為測量電流引起的Vf 變化的修正量。當測量時(shí)間小于3ms 并且測量電流比較小時(shí),可以不引入修正量。

(2)把三個(gè)2 刀2 擲轉換繼電器調到測量位置,把LED 燈具放入一個(gè)可編程控制的專(zhuān)用加熱箱內,該加熱箱采用PID 編程方式,設定階梯式加溫方式對箱體內LED 燈具進(jìn)行加熱。階梯式加溫的控溫曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。圖4 中每一階梯分為恒溫時(shí)間段和升溫時(shí)間段,這兩個(gè)時(shí)間段可分別設定,設定范圍為1 分鐘～30 分鐘中的任一值。根據LED 的熱沉上粘上的熱電偶反映的溫度值,并且最終是以圖2 電路測量被測LED 的正向電壓降穩定時(shí),說(shuō)明燈具內LED 已達到某一設定點(diǎn)溫度的熱平衡。當每一個(gè)恒溫時(shí)間段即將結束,開(kāi)始測量被測LED 的正向電壓降Vf,根據實(shí)際測量的時(shí)間△t,從圖3 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'=Vf1+△Vf,把這一Vf1'和用熱電隅測的溫度T1 導入到設定的電腦數據庫中,重復這一步驟,可以得出一組經(jīng)修正的數值。把這一組經(jīng)修正的數值自動(dòng)導入數據庫,就能生成照明器具內LED 的Vf-TJ 曲線(xiàn)。

2)照明器具中LED 熱阻的測量

把上述在加熱箱內已完成 Vf-TJ 關(guān)系曲線(xiàn)標定的照明器具取出冷卻后,按如下步驟進(jìn)行LED 熱阻的測量。