LM-85大功率LED光學(xué)和電學(xué)測量

 

1、 范圍

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

2、 測試準(zhǔn)備

1）  老練：不要求老練；

2）  工作朝向：發(fā)光過程與工作朝向無關(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，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)溫可以通過本標(biāo)準(zhǔn)要求的方法進(jìn)行設(shè)定。光度的報告中應(yīng)有測試時受試設(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℃，也可以用來代表DUT在實(shí)際工作時的溫度。

B DUT 的溫度控制。

使用環(huán)境溫度來控制DUT的溫度：

對于脈沖模式，DUT結(jié)溫可通過環(huán)境溫度來設(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，需要一個熱箱，但熱箱會對DUT整個光通量測量帶來難度。

---使用TCP來控制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抬升溫度的情況。

4）  環(huán)境條件。

對于脈沖模式，如果是使用環(huán)境溫度來設(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TCP來控制結(jié)溫，環(huán)境溫度對DUT的光學(xué)輸出的影響就不那么明顯，使用遠(yuǎn)程熒光粉類型的LED因?qū)Νh(huán)境溫度更加敏感除外。

一般來說，環(huán)境溫度是在離DUT不超過0.5m，并與DUT相同高度的測量點(diǎn)上進(jìn)行測量。測量時，為避免來自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。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)測量儀器來測量脈沖時DUT的光度和色度值。

2）  單個脈沖

在這種工作模式下，單個電流脈沖（一般是額定電流），方形波被施加到DUT上，光學(xué)測量應(yīng)在脈沖周期內(nèi)進(jìn)行。該工作模式下，如果脈沖時間足夠的短的話，DUT的結(jié)溫近似估計與環(huán)境溫度相同。DUT的光學(xué)測量應(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間來決定。典型的最快陣列光譜輻射計所要求的最小測量時間為十幾微秒，有的設(shè)備可能要求時間更長。圖1給出應(yīng)用電流脈沖和光學(xué)測量時間的例子。

DUT的結(jié)溫在電流脈沖周期內(nèi)有可能顯著增加，應(yīng)對結(jié)溫增加和測量光輸出的減少進(jìn)行評估，如果其超過可接受測量的不確定度，需進(jìn)行誤差矯正。相對于25℃時的結(jié)溫（或其他設(shè)置的溫度 ）測量的光度或色度的不確定度，有或無矯正，應(yīng)進(jìn)行評估。

A、 環(huán)境溫度條件。

如果結(jié)溫被設(shè)置為環(huán)境溫度時，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)測量和給出。如果環(huán)境溫度不在所規(guī)定的范圍時，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，所測的環(huán)境溫度和矯正因子應(yīng)給出。

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

如果使用TCP來設(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)測量期間的環(huán)境空氣溫度應(yīng)測試和給出。對于是遠(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)測量程序。應(yīng)采取如下的測量步驟：

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)定時間，如果DUT的熱接觸點(diǎn)（引腳，殼體，基板）的溫度被監(jiān)控時，所監(jiān)控的溫度離指定的結(jié)溫保持在±2℃范圍內(nèi)時，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DUT 電源，按照 DUT制造商推薦的設(shè)定時間。如果沒有推薦，應(yīng)使用5ms。

步驟3：光學(xué)測量

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

步驟4：結(jié)果矯正

如果需要，對于估算結(jié)溫上升的影響進(jìn)行矯正，或增加測量不確定預(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可接受的測量不確定度，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，如果沒有矯正，估算的誤差將考慮來自元件的不確定度。

3）  連續(xù)脈沖

在該工作模式下，在某一頻率下對DUT用一個非常小的占空比，例如1%連續(xù)電流脈沖（一般是額定電流），在時間平均信號下進(jìn)行光學(xué)測量，與穩(wěn)態(tài)DC下的光測量類似。用這個方法時，為避免由于結(jié)溫增加導(dǎo)致的光學(xué)測量誤差處在可接受的測量不確定度，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，儀器探測信號與儀器的讀數(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，光度或光譜輻射儀器無飽和。（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。

1）  環(huán)境溫度條件。單個脈沖的的要求適用于連續(xù)脈沖。

2）  光學(xué)和電學(xué)測量程序。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：對于正常溫度條件或通過熱箱進(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，所監(jiān)控的溫度離所指定的結(jié)溫在±2℃范圍內(nèi)時，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制造商推薦的時間設(shè)定時間。如果沒有推薦，使用100ms。

步驟3：光學(xué)和電學(xué)測量

在穩(wěn)態(tài)條件下,在規(guī)定的積分時間或讀數(shù)時間平均信號周期里進(jìn)行所有測量。

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

 

步驟4：用電流波形的占空比除以所測的光度或輻射值。

 

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

 

3）  估算由于結(jié)溫誤差帶來的不確定度和矯正

與結(jié)溫上升相關(guān)的測量不確定度應(yīng)估算。使用連續(xù)脈沖DUT熱模型分析的例子見附錄B。如果估算的誤差超過可接受的測量不確定度，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模式下的測量方法

1）概述

DC模式方法適合于樂意在穩(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，脈沖測量僅要求在電學(xué)參數(shù)測量上（電流和電壓），光學(xué)測量應(yīng)在DC工作狀態(tài)下進(jìn)行。該方法要求一個TCP，一個脈沖電源，一個快速電壓表測量正向電壓。

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)該測量和給出。遠(yuǎn)程熒光粉LED封裝包括在本方法里。

4）  測量程序

如下的程序用來設(shè)置DUT的結(jié)溫。

步驟1：安裝DUT

通過MCPCB或其他類似安裝技術(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）測量（圖3a）。或者，為了較高精度，可用多個額定電流下的脈沖進(jìn)行Vf（0）測量（圖3b）。對于更高精度，VF（0）可通過擬合和外延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Vf等于Vf（0），這樣，當(dāng)DUT達(dá)到熱平衡時保持相同的結(jié)溫，這可以通過反饋控制來達(dá)到此目的。當(dāng)Vf穩(wěn)定到Vf（0）時，DUT將設(shè)定到所規(guī)定的結(jié)溫。

步驟5：光、電測量

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

 

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)溫下通過脈沖和DC方法下的LED測量。LED制造商在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中進(jìn)行快速測量，一般采用脈沖方法來測量，該方法不使用TCP來控制溫度（TJ=25℃）。脈沖方法要求快速光學(xué)測量（10個ms級別），要得到低的不確定度非常困難（見附錄B）。需要指定的光學(xué)測量設(shè)備來進(jìn)行光學(xué)脈沖測量。

DC模式方法能夠在穩(wěn)定DC工作下進(jìn)行光學(xué)測量，對測量設(shè)備沒有測試速度要求，因此，常用的光度和色度設(shè)備都可以使用，例如，用來測量傳統(tǒng)燈的積分球光度計和角度光度計。從理論上來講，DC模式方法設(shè)置受測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)測量可以在穩(wěn)態(tài)DC模式下進(jìn)行，光學(xué)測量的不確定度應(yīng)比脈沖模式下的測量要低。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄B 評估Tj上升和矯正

1、  單一脈沖模型分析例子

可使用熱模型計算靜態(tài)的使用脈沖波形受測的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。每個熱阻/電容對在整個熱響應(yīng)過程中定義了一個熱時間常數(shù)。

通常，這些時間常數(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)溫與時間的關(guān)系可計算任意信號，例如一個單次激發(fā)信號。

分析例子：3W白光LED，50ms脈沖寬度，見圖B1。該例子上，結(jié)溫由20ms時的16℃上升到50ms時的19℃。如果光學(xué)測量是在這個脈沖周期內(nèi)進(jìn)行（例如，從5mS到25mS），測量結(jié)果，例如，光通量和色坐標(biāo)應(yīng)在光學(xué)測量期間，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℃）。如果估計誤差不明顯，沒有矯正，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可通過下面等式進(jìn)行計算。

t是脈沖寬度，T是脈沖周期，Rth是LED的熱阻（對環(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℃，測量的光度和色度值誤差可通過ΔT值和溫度與光度量的數(shù)據(jù)來評估。從而，允許進(jìn)行矯正或計算不確定度的貢獻(xiàn)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄C脈沖模式下光學(xué)測量

 

1、  單一脈沖

光學(xué)測量設(shè)備必須能測量與電流脈沖同步的短時間的光學(xué)脈沖能力。當(dāng)LED通上電時，LED結(jié)溫在開始時快速升高，LED電源和光譜輻射計的步調(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”信號與光譜輻射計的‘TRIGGER“輸入連接。注意的時，軟件觸發(fā)模式也可通過電源和光譜輻射計的軟件來實(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)輻射光譜計進(jìn)行測量。而且，軟件觸發(fā)時間不可靠，會受到計算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)和同時運(yùn)行的程序數(shù)的影響。

2、  連續(xù)脈沖

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

如果光度計使用一個Si光二極管頭，典型的Si光二極管線形響應(yīng)不超過100μA光電流瞬態(tài)輸出，所以，占空比為1%時脈沖電流的時間平均讀數(shù)應(yīng)為1μA或更小，以確保探測器不飽和?？赏ㄟ^測試光度計頭的線性來檢查。光電流放大器的線性可通過信號發(fā)生器來測量，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，信號的時間平均讀數(shù)應(yīng)相同。

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