LM-85大功率LED光學(xué)和電學(xué)測(cè)量

 

1、 范圍

LED 封裝，包括多個(gè)芯片封裝和遠(yuǎn)程熒光粉LED 封裝。不適用于LED 陣列或LED模組。

2、 測(cè)試準(zhǔn)備

1）  老練：不要求老練；

2）  工作朝向：發(fā)光過(guò)程與工作朝向無(wú)關(guān)，但不同的朝向與熱交換相關(guān)，當(dāng)LED結(jié)溫保持常數(shù)時(shí)，與朝向有關(guān)的熱交換可以忽略。

3）  熱條件

A 結(jié)溫

結(jié)溫與受試設(shè)備的光學(xué)和電學(xué)特性有關(guān)，結(jié)溫可以通過(guò)本標(biāo)準(zhǔn)要求的方法進(jìn)行設(shè)定。光度的報(bào)告中應(yīng)有測(cè)試時(shí)受試設(shè)備的結(jié)溫。25℃下的結(jié)溫是一般條件，但升高結(jié)溫，例如50或100℃，也可以用來(lái)代表DUT在實(shí)際工作時(shí)的溫度。

B DUT 的溫度控制。

使用環(huán)境溫度來(lái)控制DUT的溫度：

對(duì)于脈沖模式，DUT結(jié)溫可通過(guò)環(huán)境溫度來(lái)設(shè)定。該方法適合于正常條件（例如25°C下的TJ），不適合升高溫度條件。此條件下，需要一個(gè)熱箱，但熱箱會(huì)對(duì)DUT整個(gè)光通量測(cè)量帶來(lái)難度。

---使用TCP來(lái)控制DUT的溫度：

該方法一般用于DUT在DC模式下工作，也適用脈沖模式下工作。DUT的溫度可通過(guò)安裝在TCP上的溫度進(jìn)行設(shè)定。該方法首選使用脈沖模式時(shí)抬升溫度的情況。

4）  環(huán)境條件。

對(duì)于脈沖模式，如果是使用環(huán)境溫度來(lái)設(shè)定結(jié)溫，環(huán)境溫度Ta顯得優(yōu)為關(guān)鍵。相反，如果是通過(guò)TCP來(lái)控制結(jié)溫，環(huán)境溫度對(duì)DUT的光學(xué)輸出的影響就不那么明顯，使用遠(yuǎn)程熒光粉類(lèi)型的LED因?qū)Νh(huán)境溫度更加敏感除外。

一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度是在離DUT不超過(guò)0.5m，并與DUT相同高度的測(cè)量點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，為避免來(lái)自DUT的直接輻射，應(yīng)遮擋住溫度傳感器。

 

3、脈沖工作模式下的測(cè)量方法

該部分提供了2種脈沖模式方法：1）單脈沖；2）連續(xù)脈沖。任一方法都可以使用。

1）概述

在脈沖模式方法，DUT是在電流脈沖下工作，脈沖寬度足夠短，該情況下，結(jié)溫升高可以考慮忽略不計(jì)。因此，結(jié)溫就等于環(huán)境溫度。在多數(shù)情況下，環(huán)境溫度和結(jié)溫之間的差異不能忽略，需要進(jìn)行校正。該方法要求脈沖電流源、光學(xué)測(cè)量?jī)x器來(lái)測(cè)量脈沖時(shí)DUT的光度和色度值。

2）  單個(gè)脈沖

在這種工作模式下，單個(gè)電流脈沖（一般是額定電流），方形波被施加到DUT上，光學(xué)測(cè)量應(yīng)在脈沖周期內(nèi)進(jìn)行。該工作模式下，如果脈沖時(shí)間足夠的短的話，DUT的結(jié)溫近似估計(jì)與環(huán)境溫度相同。DUT的光學(xué)測(cè)量應(yīng)在脈沖周期內(nèi)進(jìn)行，因此，脈沖寬度必須由所使用的光度或光譜輻射儀器的最小積分時(shí)間來(lái)決定。典型的最快陣列光譜輻射計(jì)所要求的最小測(cè)量時(shí)間為十幾微秒，有的設(shè)備可能要求時(shí)間更長(zhǎng)。圖1給出應(yīng)用電流脈沖和光學(xué)測(cè)量時(shí)間的例子。

DUT的結(jié)溫在電流脈沖周期內(nèi)有可能顯著增加，應(yīng)對(duì)結(jié)溫增加和測(cè)量光輸出的減少進(jìn)行評(píng)估，如果其超過(guò)可接受測(cè)量的不確定度，需進(jìn)行誤差矯正。相對(duì)于25℃時(shí)的結(jié)溫（或其他設(shè)置的溫度 ）測(cè)量的光度或色度的不確定度，有或無(wú)矯正，應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。

A、 環(huán)境溫度條件。

如果結(jié)溫被設(shè)置為環(huán)境溫度時(shí)，環(huán)境溫度顯得很關(guān)鍵。在這種情況下環(huán)境溫度應(yīng)在所規(guī)定的結(jié)溫（例如55℃）±2℃范圍內(nèi)，該值應(yīng)測(cè)量和給出。如果環(huán)境溫度不在所規(guī)定的范圍時(shí)，DUT特性與溫度的依靠需要進(jìn)行矯正，使得結(jié)果顯示在所要求的環(huán)境溫度條件下。在這種情況下，所測(cè)的環(huán)境溫度和矯正因子應(yīng)給出。

DUT的環(huán)境溫度測(cè)量應(yīng)與DUT相同高度、小于0.5m距離。如果環(huán)境溫度是在球里測(cè)量，可把球內(nèi)的空氣溫度作為環(huán)境溫度來(lái)測(cè)量。

如果使用TCP來(lái)設(shè)置結(jié)溫，環(huán)境溫度就不那么重要，可以使用室溫。這種情況下，DUT的光學(xué)測(cè)量期間的環(huán)境空氣溫度應(yīng)測(cè)試和給出。對(duì)于是遠(yuǎn)程熒光粉LED的DUT，環(huán)境溫度與規(guī)定的結(jié)溫的±2℃條件應(yīng)滿足。

 

B、 光學(xué)和電學(xué)測(cè)量程序。應(yīng)采取如下的測(cè)量步驟：

步驟1：溫度穩(wěn)定

穩(wěn)定DUT的溫度到指定的結(jié)溫。

使用環(huán)境溫度控制：對(duì)于正常溫度條件或使用熱箱升高溫度條件，設(shè)定環(huán)境溫度或熱箱空氣溫度到指定的DUT的結(jié)溫。DUT應(yīng)不通電，如果DUT的溫度不被監(jiān)控，最少為30分鐘熱穩(wěn)定時(shí)間，如果DUT的熱接觸點(diǎn)（引腳，殼體，基板）的溫度被監(jiān)控時(shí)，所監(jiān)控的溫度離指定的結(jié)溫保持在±2℃范圍內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為DUT達(dá)到穩(wěn)定。

當(dāng)使用TCP：把DUT安裝在TCP上，設(shè)置TCP溫度到規(guī)定的結(jié)溫，等到TCP的溫度達(dá)到和穩(wěn)定到指定的溫度。如果TCP的溫度離指定的結(jié)溫保持在±2℃范圍內(nèi)至少1分鐘，可認(rèn)為TCP達(dá)到穩(wěn)定。

步驟2：給DUT通電流

      打開(kāi)DUT 電源，按照 DUT制造商推薦的設(shè)定時(shí)間。如果沒(méi)有推薦，應(yīng)使用5ms。

步驟3：光學(xué)測(cè)量

在DUT制造商推薦的時(shí)間范圍（準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間）內(nèi)完成光學(xué)和電學(xué)測(cè)量。如果沒(méi)有推薦，時(shí)間周期應(yīng)≤20ms。應(yīng)確保測(cè)量的觸發(fā)時(shí)間是正確的（參考附錄C），測(cè)量積分應(yīng)在電流脈沖內(nèi)完成。

步驟4：結(jié)果矯正

如果需要，對(duì)于估算結(jié)溫上升的影響進(jìn)行矯正，或增加測(cè)量不確定預(yù)算。

 

C、 不確定度估算和結(jié)溫誤差的矯正

應(yīng)估算與結(jié)溫上升相關(guān)的測(cè)量不確定度。附錄B給出DUT熱模型分析的例子。從估算結(jié)溫的升高，光通量或色質(zhì)量敏感系數(shù)到DUT的結(jié)溫，由結(jié)溫升高引起的誤差應(yīng)估算。如果估算的誤差超過(guò)可接受的測(cè)量不確定度，應(yīng)進(jìn)行矯正。如果進(jìn)行了矯正，矯正方法和矯正因子應(yīng)給出。應(yīng)用矯正因子后，殘留不確定度應(yīng)給出，如果沒(méi)有矯正，估算的誤差將考慮來(lái)自元件的不確定度。

3）  連續(xù)脈沖

在該工作模式下，在某一頻率下對(duì)DUT用一個(gè)非常小的占空比，例如1%連續(xù)電流脈沖（一般是額定電流），在時(shí)間平均信號(hào)下進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，與穩(wěn)態(tài)DC下的光測(cè)量類(lèi)似。用這個(gè)方法時(shí)，為避免由于結(jié)溫增加導(dǎo)致的光學(xué)測(cè)量誤差處在可接受的測(cè)量不確定度，占空比必須足夠小。否則，需要進(jìn)行矯正；推薦1%或更小的占空比。圖2給出使用該方法的電流脈沖的例子和測(cè)量順序。Dw是每次電流脈沖的寬度，De是脈沖的重復(fù)周期，占空比為Dw/De。

由于脈沖的占空比非常低，儀器探測(cè)信號(hào)與儀器的讀數(shù)相比有非常高的峰值。應(yīng)該特別注意的是在脈沖DUT高的發(fā)光峰值時(shí)，光度或光譜輻射儀器無(wú)飽和。（參考附錄C中C2）。

如果儀器用穩(wěn)定DC的光進(jìn)行標(biāo)定，原理上，所測(cè)的DUT光輸出除以電流波形的占空比才得到最終的值；因此，標(biāo)定占空比是個(gè)關(guān)鍵，尤其是當(dāng)電流脈沖波形非常短，不是很好的矩形時(shí)。

1）  環(huán)境溫度條件。單個(gè)脈沖的的要求適用于連續(xù)脈沖。

2）  光學(xué)和電學(xué)測(cè)量程序。采用如下程序下：

 步驟1：溫度穩(wěn)定

穩(wěn)定DUT的溫度到期望的結(jié)溫。

當(dāng)使用環(huán)境溫度控制：對(duì)于正常溫度條件或通過(guò)熱箱進(jìn)行溫度升高條件，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度或熱箱空氣溫度到期望的DUT的結(jié)溫。DUT應(yīng)不通電，如果DUT的溫度不被監(jiān)控，熱穩(wěn)定時(shí)間最少為30min，如果DUT的熱接觸點(diǎn)（引腳，殼體，基板）的溫度被監(jiān)控時(shí)，所監(jiān)控的溫度離所指定的結(jié)溫在±2℃范圍內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為DUT達(dá)到穩(wěn)定。

當(dāng)使用TCP：把DUT安裝在TCP上，調(diào)節(jié)TCP溫度到規(guī)定的結(jié)溫，直到TCP的溫度達(dá)到和穩(wěn)定到指定的溫度。如果TCP的溫度離指定的結(jié)溫保持在±2℃范圍內(nèi)至少1分鐘，可認(rèn)為TCP達(dá)到穩(wěn)定。

步驟2：應(yīng)用連續(xù)脈沖電流到DUT

     按照DUT制造商推薦的時(shí)間設(shè)定時(shí)間。如果沒(méi)有推薦，使用100ms。

步驟3：光學(xué)和電學(xué)測(cè)量

在穩(wěn)態(tài)條件下,在規(guī)定的積分時(shí)間或讀數(shù)時(shí)間平均信號(hào)周期里進(jìn)行所有測(cè)量。

積分時(shí)間應(yīng)精確到脈沖周期的整數(shù)倍，以避免由于積分時(shí)間帶來(lái)的誤差。（DUT脈沖和啟動(dòng)積分不需要同步）

 

步驟4：用電流波形的占空比除以所測(cè)的光度或輻射值。

 

步驟5：當(dāng)需要估算結(jié)溫升高或增加了測(cè)量不確定度預(yù)算時(shí)要進(jìn)行矯正。

 

3）  估算由于結(jié)溫誤差帶來(lái)的不確定度和矯正

與結(jié)溫上升相關(guān)的測(cè)量不確定度應(yīng)估算。使用連續(xù)脈沖DUT熱模型分析的例子見(jiàn)附錄B。如果估算的誤差超過(guò)可接受的測(cè)量不確定度，應(yīng)進(jìn)行矯正。如果進(jìn)行了矯正，矯正方法和矯正因子應(yīng)給出。

 

6、DC模式下的測(cè)量方法

1）概述

DC模式方法適合于樂(lè)意在穩(wěn)態(tài)DC輸入下使用光度和色度設(shè)備DUT使用者。該方法中，脈沖測(cè)量?jī)H要求在電學(xué)參數(shù)測(cè)量上（電流和電壓），光學(xué)測(cè)量應(yīng)在DC工作狀態(tài)下進(jìn)行。該方法要求一個(gè)TCP，一個(gè)脈沖電源，一個(gè)快速電壓表測(cè)量正向電壓。

2）環(huán)境溫度條件

該方法中，因結(jié)溫被控制到一個(gè)常數(shù)，環(huán)境溫度不那么重要，一般的是室溫。環(huán)境溫度應(yīng)該測(cè)量和給出。遠(yuǎn)程熒光粉LED封裝包括在本方法里。

4）  測(cè)量程序

如下的程序用來(lái)設(shè)置DUT的結(jié)溫。

步驟1：安裝DUT

通過(guò)MCPCB或其他類(lèi)似安裝技術(shù)把DUT安裝在TCP上。

步驟2：設(shè)置TCP的溫度

設(shè)置TCP的溫度到指定的結(jié)溫，應(yīng)穩(wěn)定到指定結(jié)溫0.5℃范圍內(nèi)。DUT處于不通電狀態(tài)，應(yīng)至少等1min以至DUT的結(jié)溫穩(wěn)定TCP的溫度。

步驟3 給DUT通上電流

給DUT一步或一個(gè)短的脈沖電流，在正向電壓處于穩(wěn)定后立即進(jìn)行瞬態(tài)正向電壓Vf（0）測(cè)量（圖3a）?；蛘撸瑸榱溯^高精度，可用多個(gè)額定電流下的脈沖進(jìn)行Vf（0）測(cè)量（圖3b）。對(duì)于更高精度，VF（0）可通過(guò)擬合和外延Vf（t）曲線到0秒（圖3c）。

步驟4：調(diào)整TCP的溫度

當(dāng)DUT繼續(xù)在規(guī)定DC電流下工作和加熱，調(diào)整（降低）TCP的溫度，以至所測(cè)Vf等于Vf（0），這樣，當(dāng)DUT達(dá)到熱平衡時(shí)保持相同的結(jié)溫，這可以通過(guò)反饋控制來(lái)達(dá)到此目的。當(dāng)Vf穩(wěn)定到Vf（0）時(shí)，DUT將設(shè)定到所規(guī)定的結(jié)溫。

步驟5：光、電測(cè)量

在DC條件下，測(cè)量光學(xué)參數(shù)（輻射、光度和色度）。獲得的結(jié)果是在指定結(jié)溫下的測(cè)量值。步驟3的時(shí)機(jī)依靠DUT的類(lèi)型進(jìn)行決定。舉個(gè)例子，DUT 在350mA，一般來(lái)說(shuō)，正向電壓在10ms內(nèi)穩(wěn)定，Vf可以在100ms內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

 

附錄A  LED工作在脈沖方法和DC方法

本文件講述了LED工作在指定結(jié)溫下通過(guò)脈沖和DC方法下的LED測(cè)量。LED制造商在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行快速測(cè)量，一般采用脈沖方法來(lái)測(cè)量，該方法不使用TCP來(lái)控制溫度（TJ=25℃）。脈沖方法要求快速光學(xué)測(cè)量（10個(gè)ms級(jí)別），要得到低的不確定度非常困難（見(jiàn)附錄B）。需要指定的光學(xué)測(cè)量設(shè)備來(lái)進(jìn)行光學(xué)脈沖測(cè)量。

DC模式方法能夠在穩(wěn)定DC工作下進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，對(duì)測(cè)量設(shè)備沒(méi)有測(cè)試速度要求，因此，常用的光度和色度設(shè)備都可以使用，例如，用來(lái)測(cè)量傳統(tǒng)燈的積分球光度計(jì)和角度光度計(jì)。從理論上來(lái)講，DC模式方法設(shè)置受測(cè)LED結(jié)溫比脈沖模式工作的精度更高。如果使用矯正程序，設(shè)置TJ的不確定度可以在±1℃范圍內(nèi)，光學(xué)測(cè)量中由于TJ誤差引起的不確定度實(shí)際上可以忽略。由于光學(xué)測(cè)量可以在穩(wěn)態(tài)DC模式下進(jìn)行，光學(xué)測(cè)量的不確定度應(yīng)比脈沖模式下的測(cè)量要低。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄B 評(píng)估Tj上升和矯正

1、  單一脈沖模型分析例子

可使用熱模型計(jì)算靜態(tài)的使用脈沖波形受測(cè)的LED熱特征。這些模型呈現(xiàn)了由電阻和電容構(gòu)成的LED梯形網(wǎng)絡(luò)熱路徑。每個(gè)熱阻/電容對(duì)在整個(gè)熱響應(yīng)過(guò)程中定義了一個(gè)熱時(shí)間常數(shù)。

通常，這些時(shí)間常數(shù)與LED 熱路徑的物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。使用該網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)電路分析技術(shù)，LED結(jié)溫與時(shí)間的關(guān)系可計(jì)算任意信號(hào)，例如一個(gè)單次激發(fā)信號(hào)。

分析例子：3W白光LED，50ms脈沖寬度，見(jiàn)圖B1。該例子上，結(jié)溫由20ms時(shí)的16℃上升到50ms時(shí)的19℃。如果光學(xué)測(cè)量是在這個(gè)脈沖周期內(nèi)進(jìn)行（例如，從5mS到25mS），測(cè)量結(jié)果，例如，光通量和色坐標(biāo)應(yīng)在光學(xué)測(cè)量期間，基于溫度依靠光度和色度參數(shù)（分別決定），按照結(jié)溫平均上升進(jìn)行矯正（近似15℃）。如果估計(jì)誤差不明顯，沒(méi)有矯正，可以包括在不確定度預(yù)算中。溫度 VS光通量變化與產(chǎn)品類(lèi)型有關(guān)，典型值是0.1%/℃—0.5%/℃。

2、  分析連續(xù)脈沖模式的例子

即使是在占空比非常小的情況下，LED溫度也會(huì)輕微的增加。在持續(xù)脈沖工作條件下，脈沖結(jié)束前應(yīng)該立即結(jié)溫增加ΔT，ΔT可通過(guò)下面等式進(jìn)行計(jì)算。

t是脈沖寬度，T是脈沖周期，Rth是LED的熱阻（對(duì)環(huán)境溫度），r(t)是瞬態(tài)熱阻，P是LED的電功率。r(t)的例子見(jiàn)圖B2。

例如，3W LED，脈沖寬度0.05ms，周期5ms（200HZ，占空比1/100），使用圖2的r(t)數(shù)據(jù)，結(jié)溫增加為ΔT≈2.3℃，測(cè)量的光度和色度值誤差可通過(guò)ΔT值和溫度與光度量的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估。從而，允許進(jìn)行矯正或計(jì)算不確定度的貢獻(xiàn)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄C脈沖模式下光學(xué)測(cè)量

 

1、  單一脈沖

光學(xué)測(cè)量設(shè)備必須能測(cè)量與電流脈沖同步的短時(shí)間的光學(xué)脈沖能力。當(dāng)LED通上電時(shí)，LED結(jié)溫在開(kāi)始時(shí)快速升高，LED電源和光譜輻射計(jì)的步調(diào)一致性非常重要，為確保同步，應(yīng)使用硬件觸發(fā)模式（不是軟件），例如，LED電源的“OUTPUT DONE”信號(hào)與光譜輻射計(jì)的‘TRIGGER“輸入連接。注意的時(shí)，軟件觸發(fā)模式也可通過(guò)電源和光譜輻射計(jì)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但，軟件觸發(fā)模式一般比較慢，在有些情況下，LED點(diǎn)亮后100 ms才觸發(fā)輻射光譜計(jì)進(jìn)行測(cè)量。而且，軟件觸發(fā)時(shí)間不可靠，會(huì)受到計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和同時(shí)運(yùn)行的程序數(shù)的影響。

2、  連續(xù)脈沖

光度計(jì)或光譜輻射計(jì)設(shè)備應(yīng)能準(zhǔn)確測(cè)量脈沖的光學(xué)輻射。應(yīng)確保測(cè)量設(shè)備探測(cè)器和測(cè)量電路在遇到與時(shí)間平均讀數(shù)相比非常高的峰探測(cè)器輸出信號(hào)時(shí)不飽和。如果占空比是1%，峰值探測(cè)器電流高脈沖比時(shí)間平均讀數(shù)高100倍。自動(dòng)量程亮度計(jì)在如此脈沖光下可能不能很好的工作。

如果光度計(jì)使用一個(gè)Si光二極管頭，典型的Si光二極管線形響應(yīng)不超過(guò)100μA光電流瞬態(tài)輸出，所以，占空比為1%時(shí)脈沖電流的時(shí)間平均讀數(shù)應(yīng)為1μA或更小，以確保探測(cè)器不飽和?？赏ㄟ^(guò)測(cè)試光度計(jì)頭的線性來(lái)檢查。光電流放大器的線性可通過(guò)信號(hào)發(fā)生器來(lái)測(cè)量，例如，1μA穩(wěn)態(tài)DC電流和1%占空比、脈沖100μA峰值方形電流脈沖。如果放大器工正常工作，信號(hào)的時(shí)間平均讀數(shù)應(yīng)相同。

如果使用光譜輻射計(jì)陣列，其線性應(yīng)在持續(xù)脈沖下進(jìn)行測(cè)量。