李 海,肖鑫龍,劉雪峰,羅 欽,劉毅冰,熊永紅

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

LED熱阻特性的電學(xué)測試系統(tǒng)

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(xué)a.物理學(xué)院;b.光電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074)

1 引 言

依據(jù)LED電學(xué)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(shù)進行數(shù)據(jù)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(dǎo)體LED由于其亮度高、功耗低、節(jié)能環(huán)保,易驅(qū)動,可靠性高等特點,已經(jīng)廣泛應(yīng)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(zhuǎn)化率較低,大部分電能轉(zhuǎn)換為熱能.隨著功率提高,LED熱效應(yīng)越發(fā)顯著,直接影響了其發(fā)光效率、波長、正向壓降以及使用壽命等[2].因此,研究其導(dǎo)熱性能及測量方法具有重要意義.

LED作為半導(dǎo)體器件,主要以熱阻來衡量其熱學(xué)性能[3],準確的熱阻值可以用來進行產(chǎn)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(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能.

本文根據(jù)LED的電學(xué)和熱學(xué)特性的對應(yīng)關(guān)系,運用測控技術(shù)構(gòu)建自動測量系統(tǒng),實現(xiàn)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(jié)區(qū)和散熱區(qū)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(jié)結(jié)點溫度與電學(xué)參量密切相關(guān)的特性,可以在不改變LED結(jié)構(gòu)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(yīng)用[1].

2.2 LED電學(xué)溫度特性測試原理

由半導(dǎo)體理論,可得:式中,UPN為結(jié)電壓,γ通常為3左右的常數(shù),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(dǎo)體,Eg=3.44 eV,當(dāng)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(nèi),電壓和溫度呈較好的線性關(guān)系,并且電壓隨著溫度升高而下降.

實際測量中,PN結(jié)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(dǎo)體制冷散熱片中,從PN結(jié)到散熱片表面的熱阻為

其中ΔTJ為PN結(jié)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(dǎo)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(fā)光功率(由PM S-80紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)測量).

利用上述小電流作用下,電壓和溫度的近似線性關(guān)系,即

完成對 TJ的測量.其中,K是溫度隨電壓變化的系數(shù).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(huán)境中,通過計算機采集其溫度和對應(yīng)的PN結(jié)兩端電壓,并對數(shù)據(jù)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(jīng)求出的線性關(guān)系,通過在微導(dǎo)通模式和正常工作模式下的電壓差,即可得到PN結(jié)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(dǎo)通,產(chǎn)生的熱效應(yīng)最小(可以忽略不計),IH(100 m A量級)則是表示正常工作狀態(tài)時較大的電流,LED產(chǎn)生明顯發(fā)熱升溫現(xiàn)象.先將開關(guān)置于1處,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定之后,測出二極管兩端的電壓VF1;然后將開關(guān)置于2處,待LED加熱一段時間后,開關(guān)迅速切換至1,記下此時的電壓VF2.結(jié)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(tǒng)

測試系統(tǒng)是基于LabV IEW圖形化虛擬仿真儀器與FPGA嵌入式系統(tǒng)構(gòu)架結(jié)合的智能化多功能雙界面測試系統(tǒng).LabV IEW通過V ISA串口與FPGA進行數(shù)據(jù)通信完成多形式控制,如圖3所示.

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)以上原理,熱阻測試系統(tǒng)需提供穩(wěn)定的1μA級至1 A級電流,室溫至400 K的加熱設(shè)備以及溫度測量系統(tǒng).

設(shè)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(wěn)定.

根據(jù)實驗要求,設(shè)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(gòu)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(lián),利用INA 114極低的nA級INPU T B IAS,在不對串聯(lián)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(chǎn)生的電壓信號進行比較,電壓差經(jīng)過儀用放大器和二級放大器放大加在采樣電阻與LED串聯(lián)回路上,可看作串聯(lián)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(shè)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(shè)計配合若干繼電器的控制,可方便使電壓反向,實現(xiàn)LED極性的自適應(yīng),即由系統(tǒng)通過LED兩端的電壓變化,自動識別極性.電源經(jīng)過線性穩(wěn)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(lián)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(shè)計驅(qū)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(gòu)成濾波和頻率補償,通過調(diào)節(jié)控制濾波電容的比值,實現(xiàn)零相移情況下的低通濾波.

3 實驗系統(tǒng)測試結(jié)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(shè)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(guān)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(shù)據(jù)采集.部分所得數(shù)據(jù)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(nèi),電壓與溫度呈較好的線性關(guān)系,根據(jù)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(yù)測,這是由于理論計算中采用了GaN本征半導(dǎo)體的禁帶寬度 Eg=3.44 eV,而實際摻雜的二極管半導(dǎo)體材料的禁帶寬度略小于本征半導(dǎo)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(shù)據(jù),將固定電流與電壓以及此時對應(yīng)的結(jié)點溫度和溫度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)果進行線性擬合得:

相關(guān)系數(shù):R2=0.991 3,可見其線性相關(guān)性較好.將散熱基片與積分球結(jié)合,測得數(shù)據(jù)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(wěn)定狀態(tài)時測量數(shù)據(jù)

表2 回到0.01 m A小電流時測量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

本文通過LED電學(xué)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(jù)實驗特點設(shè)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(jié)果基本吻合.該系統(tǒng)為大功率LED熱阻測試提供了一種簡便有效的方法.

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[責(zé)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(xué)生創(chuàng)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(xué)物理學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)2007級本科生.

指導(dǎo)教師:熊永紅(1954-),女,江西南昌人,華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授,從事物理實驗教學(xué)和納米功能材料的結(jié)構(gòu)與物性研究.