一種間接的LED結溫測量的方法

苗雨橋 李響

(北京銓富科技有限公司 北京 100102)

1 前言

LED照明作為新一代理想的綠色光源，目前已經逐步從高端的景觀照明，工程應用滲透至普通的商用照明甚至民用照明中，與此同時由于各國各地針對環境的保護要求日趨嚴格，各國政府已經陸續頒布了廢止普通白熾燈的時間表，這更加劇了LED照明普及的速度。由于LED照明不僅是綠色節能的新技術可以迅速看到由于節能所帶來的經濟回報，更因為LED本身的技術特點，相比其傳統照明有長壽命的優勢，這樣更凸現了LED照明的環保特質。但是由于市場上LED的上游芯片供應良莠不齊，同時下游產品設計階段的成本壓力，導致很多產品設計沒有條件考慮產品的壽命，這主要是因為LED產品壽命的測量和估算需要比較復雜的測量手段，產品設計階段往往由于測量手段的不當，不能真實的了解產品的實際壽命。本文正是針對LED的壽命估算的關鍵參數LED結溫的測量的一種方法的改進，從原理上分析了LED的正向電壓和LED結溫的映射關系，將復雜的直接溫度測試轉化為簡單的電壓測試，提高了測試的可操作性，降低了復雜性。

2 LED 發光原理

LED (Light Emitting Diode),發光二極管，是一種固態的半導體器件，其主要作用就是將電能轉化成光能，其發光過程包括三個主要部分：(1)正向偏至電壓下的載流子注入，在正向電壓的作用下，其N極中帶負電的電子移動到帶正電的空穴區域，并且與之復合；(2)由于電子與空穴的結合，同時伴隨光子的產生，在PN結填充不同的激發材料，利用填充材料的帶隙，可以控制光子的波長，而光子的波長又同光的顏色有對應關系，所以不同材料就會有對應不同的顏色的光產生；如圖1；3，光子產生后悔進一步激發外部封裝的熒光材料，對應將光的頻譜和能量產品另外一次變化，產生可見光，如圖2。目前比較成熟的白光LED技術是由日亞化學發明的利用InGaN產生藍光，同時激發黃色的YAG熒光粉來得到同自然光接近的白光。在這個電光轉換過程中會伴隨有熱的產生，這對工程應用有很多不利影響。

3 LED節溫直接測量方法

雖然LED被業界內外認為是綠色的光源，但實際上其在發光的同時依舊會伴隨有大量的熱量產生，依照目前業內已經量產的產品，芯片的光效一般維持在90-100lm/w左右，而實際產品通常在70-80lm/w范圍。LED的發熱對于LED的壽命是一個致命問題，所以在LED產品設計中，需要嚴格控制LED的發熱進而來保證壽命；通常的做法是通過對LED結溫的測量，利用TM21的推算方法來估算LED產品的壽命。這就引申出對LED結溫的測量這一問題。圖3是白光LED的內部剖析圖，理想的LED結溫測量方法是將溫度傳感器盡可能的靠近PN結處，即LED的熱源處，這是由于一般溫度傳感器的體積會比被測量體（LED的PN結）體積大，這樣就增大了系統的熱容值，增加測量誤差，同時由于受到實際操作的局限，在產品應用中我們很難完成以上提到的測量；通常的做法是LED的芯片供應商會根據自己的材料，工藝以及相對大量的測試結果，給出一個LED的PN結到LED焊盤的一個熱阻參考值R，用戶只需要測量LED焊盤的溫度，通過公式1；推算出LED的結溫。

但這種做法有一些局限性，最直接的問題就是LED熱阻參考值的精確性，通常的LED供應商會給出一個針對這個參數的一個參考范圍，而往往這個范圍是十分寬泛的，甚至有最小值與最大值相差僅2倍的情況（某型號LED的規格書中熱阻一項的參考值最小為17/W，最大為40/W）,這就嚴重影響設計者的判斷。

4 LED正向電壓與節溫的物理關系

半導體物理學中有關PN結的研究可以得出PN結的正向電流 與正向電壓 滿足以下關系：

式中：e為電子電荷量、k為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度， 為反向飽和電流，它是一個與PN結材料禁帶寬度及溫度等因素有關的系數，是不隨電壓變化的常數。由于在常溫（300K）下，kT/q=0.026,而PN結的正向壓降一般為零點幾伏,所以上式括號內的第二項可以忽略不計,于是有

經過初等數學變換可得V 與T有線性關系如下：

同時大功率LED，在工作時額定電流很大，這時歐姆接觸引起的壓降就不能被忽略，所以最終V與T 的數學關系可以表示為：

其中 M是線性函數的斜率，其單位為/V，與正向電流有關，但小范圍內可忽略，N是線性函數的對零偏移，單位是 ，與正向電流有關。

目前一些大型的設備供應商，依照此原理完成的設備，通常需要脈沖式測量，其目的是為了避免由于長時間通電發熱而導致的V 值得下降；從而得到一個純粹的V與T 對應關系；但是這在應用中并不實際，因為實際應用中由于LED本身發熱而導致的V 下降是不可避免而且是需要重點考慮的。

5 實測內容以及結果

為保證測試數據對產品設計有指導意義，本文推薦的試驗盡可能的同實際產品的應用環境所一致。首先將LED芯片其焊接到一個近似為無窮大的散熱器上（相對其功率范圍），將LED兩端通以恒流源驅動，并將其放置于一個溫度可控的恒溫無空氣對流的裝置中，并將溫度傳感器安裝于散熱器上距離LED遠近不同的位置上。控制正向驅動電流，控制恒溫裝置的溫度；監視直至不同位置的溫度傳感器溫差很小（本次試驗約定為0.2，證明在實際應用中T與T已經達到一個平衡狀態）同時溫度傳感器相對時間變化也很穩定；記錄下對應的V值，然后依次改變恒溫裝置溫度重復試驗內容；待完成一個電流值后再依次循環測試不同電流值得表現，繪制成表格。此方法有利于設計者結合實際產品的情況，只需要測量LED兩端的實際工作電壓，以及對應的設計電路，通過對應所繪制的表格來判斷產品的T 值，進而推算產品壽命。本文選取了國際上某知名品牌的一款常見的功率型白光LED，其正向電壓為近似6V（內部是2個PN結串行連接）。依照以上描述的試驗內容，繪制表格和曲線如圖4、圖5。

6 結論

本文從LED的發光原理分析開始，介紹電光轉換中熱量的不可避免，同時介紹了當前應用較廣泛的直接式結溫測量方法了以及它在產品設計應用中的一些缺陷，隨后本文詳細的闡述了關鍵物理量之間的關系，并提出了結合實際產品的試驗方法，數據表明，本方法在LED的應用產品中是有效的。

[1]Jason Chonko, Using Forward voltage to measure semiconductor junction temperature.Keithley instrument, Inc, 2005

[2]李炳乾,布良基，甘雄文，范廣涵， LED正向壓降隨溫度的變化關系研究.光子學報 Vol.32, 2003