LED熱阻特性的電學測試系統

李 海,肖鑫龍,劉雪峰,羅 欽,劉毅冰,熊永紅

(華中科技大學a.物理學院;b.光電子科學與工程學院,湖北武漢430074)

LED熱阻特性的電學測試系統

李 海a,肖鑫龍a,劉雪峰a,羅 欽b,劉毅冰a,熊永紅a

(華中科技大學a.物理學院;b.光電子科學與工程學院,湖北武漢430074)

1 引 言

依據LED電學溫度特性和熱阻理論,搭建了大功率LED熱阻測試平臺.該平臺可對特定型號的大功率LED進行溫度特性和熱阻測試,采用自控技術進行數據采集和分析,使熱阻值測量便捷、高效、準確.

LED;正向壓降;熱阻;LabV IEW

功率型半導體LED由于其亮度高、功耗低、節能環保,易驅動,可靠性高等特點,已經廣泛應用于交通和建筑照明、電視顯示屏、各種背光源和儀器儀表的顯示器.隨著能源供需日益緊張,LED必將得到進一步的推廣[1].然而,LED光電轉化率較低,大部分電能轉換為熱能.隨著功率提高,LED熱效應越發顯著,直接影響了其發光效率、波長、正向壓降以及使用壽命等[2].因此,研究其導熱性能及測量方法具有重要意義.

LED作為半導體器件,主要以熱阻來衡量其熱學性能[3],準確的熱阻值可以用來進行產品之間的橫向比較,同時還可以用以分析不同散熱材料和產品封裝結構的導熱性能.

本文根據LED的電學和熱學特性的對應關系,運用測控技術構建自動測量系統,實現了LED熱阻值準確、快速測量.

2 測試原理

2.1 熱阻定義及主要測量方法

熱阻定義為沿器件熱流通道上的溫差和通道上的熱耗功率之比[4].對LED而言,通常取芯片PN結區和散熱區之間的溫度差和LED所消耗的熱功率之比.

本文利用LED的PN結結點溫度與電學參量密切相關的特性,可以在不改變LED結構的條件下得到較為準確的熱阻值,因具有快捷準確的特點,故獲得了廣泛的應用[1].

2.2 LED電學溫度特性測試原理

由半導體理論,可得:式中,UPN為結電壓,γ通常為3左右的常數,k為玻耳茲曼常量,q為電子電量,Eg是禁帶寬度,T是溫度.

對GaN本征半導體,Eg=3.44 eV,當電流為0.1,1,10,100,300 m A時,通過上式計算電壓與溫度特性曲線如圖1所示.

圖1 溫度與電壓特性曲線

實驗中,主要研究溫度為350～500 K的大功率LED溫度電壓特性,由圖1可知在這個范圍內,電壓和溫度呈較好的線性關系,并且電壓隨著溫度升高而下降.

實際測量中,PN結面的溫度 TJ是最高的,將大功率LED封裝散熱面與熱沉(散熱片)緊密接觸,并且將LED與熱沉置于恒定的溫度 Ta的半導體制冷散熱片中,從PN結到散熱片表面的熱阻為

其中ΔTJ為PN結兩端的溫度差,PH為LED正常工作時的熱功率,TA是散熱面的溫度,由半導體制冷片進行溫控[5],IH是通過LED的電流,VFH是LED兩端的電壓,Pf為發光功率(由PM S-80紫外-可見-近紅外光譜分析系統測量).

利用上述小電流作用下,電壓和溫度的近似線性關系,即

完成對 TJ的測量.其中,K是溫度隨電壓變化的系數.做出溫度與電壓的特性曲線,即可以得到K值.

測量 K值時,給LED通一微小電流,并且將其放在溫度隨時間緩慢變化,且溫度分布均勻的環境中,通過計算機采集其溫度和對應的PN結兩端電壓,并對數據進行擬合,得到近似直線的斜率,即得到 K值.

對于熱阻的測量,利用已經求出的線性關系,通過在微導通模式和正常工作模式下的電壓差,即可得到PN結兩端的溫度差,并利用正常工作時的電壓電流,便可得到所求熱阻.

簡化測試原理電路如圖2所示.

圖2 簡化測試原理電路

圖2中 IM(10μA量級)的取值使得二極管剛好導通,產生的熱效應最小(可以忽略不計),IH(100 m A量級)則是表示正常工作狀態時較大的電流,LED產生明顯發熱升溫現象.先將開關置于1處,當系統穩定之后,測出二極管兩端的電壓VF1;然后將開關置于2處,待LED加熱一段時間后,開關迅速切換至1,記下此時的電壓VF2.結點電壓就可以通過下面兩式來確定:其中 TJi就是熱沉的溫度.

2.3 測試系統

測試系統是基于LabV IEW圖形化虛擬仿真儀器與FPGA嵌入式系統構架結合的智能化多功能雙界面測試系統.LabV IEW通過V ISA串口與FPGA進行數據通信完成多形式控制,如圖3所示.

圖3 測試系統結構示意圖

根據以上原理,熱阻測試系統需提供穩定的1μA級至1 A級電流,室溫至400 K的加熱設備以及溫度測量系統.

設計測試電路的難點是在周圍各種外界干擾(電磁干擾、熱梯度干擾、聲音振動干擾)中,將微安級微弱電流穩定.

根據實驗要求,設計了恒流電路[6-7].

由采樣電阻(RJ711)與精密儀用放大器(INA 114)構成負反饋回路,如圖4所示.

圖4 采樣電阻信號反饋示意圖

反饋電阻與LED串聯,利用INA 114極低的nA級INPU T B IAS,在不對串聯通路造成明顯電流影響的前提下,將采樣電阻上的電壓與20位DAC1220產生的電壓信號進行比較,電壓差經過儀用放大器和二級放大器放大加在采樣電阻與LED串聯回路上,可看作串聯回路的電源,其極性成負反饋.同時為控制二級放大器的噪聲密度,溫漂等因素,小電流部分采用OPA 2227作為二級放大器,而大電流部分采用功率單片運放OPA 541作為二級放大器.

電路采用對稱式設計(圖5),將LED兩端電壓都控制在零電勢附近,便于電壓信號采集,減小共模,減小恒流回路漏電,減小溫漂造成的共模變化.這種對稱設計配合若干繼電器的控制,可方便使電壓反向,實現LED極性的自適應,即由系統通過LED兩端的電壓變化,自動識別極性.電源經過線性穩壓芯片和多級無源濾波的處理,仍可能帶有一定紋波噪聲,因此采用運算放大器的POWER SUPPLY REJECTION減小電源噪聲帶來的影響,減小了恒流源串聯通路上一端直接接入電源所引入的噪聲影響.

圖5 恒流回路對稱設計驅動電路

對于電路的交流干擾和自激,由相移較大的二級放大器構成濾波和頻率補償,通過調節控制濾波電容的比值,實現零相移情況下的低通濾波.

3 實驗系統測試結果

3.1 K值測定

實驗采用LED的功率為1 W,額定電流為350 m A,加熱設備為恒溫箱,測溫精度為0.1℃,加熱范圍為80～130℃.

為探究在較寬范圍恒定電流通過時,LED正向壓降與溫度的關系,分別在0.1,0.5,1,5,10,20,50,100,150,200,250,300,350 m A的電流作用下進行數據采集.部分所得數據如圖6所示.

由圖6可知,實驗所研究的大功率LED在較大電流范圍內,電壓與溫度呈較好的線性關系,根據線性擬合R2≈0.98,部分曲線 R≈0.999 9,與理論模擬吻合得很好.但是觀察到所測電流值整體小于理論預測,這是由于理論計算中采用了GaN本征半導體的禁帶寬度 Eg=3.44 eV,而實際摻雜的二極管半導體材料的禁帶寬度略小于本征半導體的禁帶寬度,因而實際測量的電壓值略低于圖1所示的理論電壓值.

圖6 大功率LED溫度與電壓曲線圖

3.2 熱阻測量

由以上分析所得數據,將固定電流與電壓以及此時對應的結點溫度和溫度數據與光功率代入熱阻公式(2)進行計算.

實驗中,在10μA,40～100℃溫度范圍測試,數據結果進行線性擬合得:

相關系數:R2=0.991 3,可見其線性相關性較好.將散熱基片與積分球結合,測得數據如表1～2所示,通過式(2)可求得熱阻R=26.3℃/W,這個值與文獻[1]上的熱阻值大致相等.

表1 0.35 A大電流穩定狀態時測量數據

表2 回到0.01 m A小電流時測量數據

4 結 論

本文通過LED電學溫度特性與熱阻理論,對大功率LED溫度與電壓特性進行了研究,通過理論計算給出了實驗所用LED的理想情況下的特性曲線,根據實驗特點設計并搭建了大功率LED熱阻測試平臺,通過實驗對特定型號的大功率LED進行溫度特性和熱阻測試,實驗與模擬結果基本吻合.該系統為大功率LED熱阻測試提供了一種簡便有效的方法.

[1]馬志凌.大功率白光LED熱特性研究與分析[D].廣州:華南理工大學,2008:42-68.

[2]李炳乾,鄭同場,夏正浩.GaN基藍光發光二極管正向電壓溫度特性研究[J].物理學報,2009,58(10):7189-7193.

[3]彭浩,武紅玉,劉東月,等.大功率LED穩態熱阻測試的關鍵因素[J].半導體技術,2009,34(5):454-458.

[4]李志強,陸魁春,游開明.不良導體導熱系數快速測定儀[J].物理實驗,2004,24(10):20-22.

[5]鄭喬,劉虎.半導體制冷及其在物理實驗中的應用[J].物理實驗,2008,28(2):30-32.

[6]李宏生,萬德鈞.一種高精度恒流源的設計與分析[J].光學精密工程,1996,4(6):87-94.

[7]陳凱良,蘭樹聲.恒流源及其應用電路[M].杭州:浙江科學技術出版社,1992:50-510.

[責任編輯:郭 偉]

Electrical test system for thermal resistance characteristics of LED

L IHaia,XIAO Xin-longa,L IU Xue-fenga,LUO Qinb,L IU Yi-binga,XIONG Yong-honga
(a.School of Physics;b.School of Op toelectronic Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

The thermal and electrical characteristics of LED w ere investigated,the measurement system took advantage of LabV IEW to collect data and conduct analysis,themeasuring efficiency,accuracy and convenience was imp roved.

LED;fo rw ard voltage drop;thermal resistance;LabV IEW

O472.2

A

1005-4642(2011)01-0039-04

2010-06-09;修改日期:2010-07-11

國家大學生創新實驗計劃重點項目(No.091048757)

李 海(1988-),男,四川成都人,華中科技大學物理學院應用物理專業2007級本科生.

指導教師:熊永紅(1954-),女,江西南昌人,華中科技大學物理學院教授,從事物理實驗教學和納米功能材料的結構與物性研究.