LM-85

LM-85大功率LED光学和电学测量

 

1、 范围

LED 封装，包括多个芯片封装和远程荧光粉LED 封装。不适用于LED 阵列或LED模组。

2、 测试准备

1）  老练：不要求老练；

2）  工作朝向：发光过程与工作朝向无关，但不同的朝向与热交换相关，当LED结温保持常数时，与朝向有关的热交换可以忽略。

3）  热条件

A 结温

结温与受试设备的光学和电学特性有关，结温可以通过本标准要求的方法进行设定。光度的报告中应有测试时受试设备的结温。25℃下的结温是一般条件，但升高结温，例如50或100℃，也可以用来代表DUT在实际工作时的温度。

B DUT 的温度控制。

使用环境温度来控制DUT的温度：

对于脉冲模式，DUT结温可通过环境温度来设定。该方法适合于正常条件（例如25°C下的TJ），不适合升高温度条件。此条件下，需要一个热箱，但热箱会对DUT整个光通量测量带来难度。

---使用TCP来控制DUT的温度：

该方法一般用于DUT在DC模式下工作，也适用脉冲模式下工作。DUT的温度可通过安装在TCP上的温度进行设定。该方法首选使用脉冲模式时抬升温度的情况。

4）  环境条件。

对于脉冲模式，如果是使用环境温度来设定结温，环境温度Ta显得优为关键。相反，如果是通过TCP来控制结温，环境温度对DUT的光学输出的影响就不那么明显，使用远程荧光粉类型的LED因对环境温度更加敏感除外。

一般来说，环境温度是在离DUT不超过0.5m，并与DUT相同高度的测量点上进行测量。测量时，为避免来自DUT的直接辐射，应遮挡住温度传感器。

 

3、脉冲工作模式下的测量方法

该部分提供了2种脉冲模式方法：1）单脉冲；2）连续脉冲。任一方法都可以使用。

1）概述

在脉冲模式方法，DUT是在电流脉冲下工作，脉冲宽度足够短，该情况下，结温升高可以考虑忽略不计。因此，结温就等于环境温度。在多数情况下，环境温度和结温之间的差异不能忽略，需要进行校正。该方法要求脉冲电流源、光学测量仪器来测量脉冲时DUT的光度和色度值。

2）  单个脉冲

在这种工作模式下，单个电流脉冲（一般是额定电流），方形波被施加到DUT上，光学测量应在脉冲周期内进行。该工作模式下，如果脉冲时间足够的短的话，DUT的结温近似估计与环境温度相同。DUT的光学测量应在脉冲周期内进行，因此，脉冲宽度必须由所使用的光度或光谱辐射仪器的最小积分时间来决定。典型的最快阵列光谱辐射计所要求的最小测量时间为十几微秒，有的设备可能要求时间更长。图1给出应用电流脉冲和光学测量时间的例子。

DUT的结温在电流脉冲周期内有可能显著增加，应对结温增加和测量光输出的减少进行评估，如果其超过可接受测量的不确定度，需进行误差矫正。相对于25℃时的结温（或其他设置的温度 ）测量的光度或色度的不确定度，有或无矫正，应进行评估。

A、 环境温度条件。

如果结温被设置为环境温度时，环境温度显得很关键。在这种情况下环境温度应在所规定的结温（例如55℃）±2℃范围内，该值应测量和给出。如果环境温度不在所规定的范围时，DUT特性与温度的依靠需要进行矫正，使得结果显示在所要求的环境温度条件下。在这种情况下，所测的环境温度和矫正因子应给出。

DUT的环境温度测量应与DUT相同高度、小于0.5m距离。如果环境温度是在球里测量，可把球内的空气温度作为环境温度来测量。

如果使用TCP来设置结温，环境温度就不那么重要，可以使用室温。这种情况下，DUT的光学测量期间的环境空气温度应测试和给出。对于是远程荧光粉LED的DUT，环境温度与规定的结温的±2℃条件应满足。

 

B、 光学和电学测量程序。应采取如下的测量步骤：

步骤1：温度稳定

稳定DUT的温度到指定的结温。

使用环境温度控制：对于正常温度条件或使用热箱升高温度条件，设定环境温度或热箱空气温度到指定的DUT的结温。DUT应不通电，如果DUT的温度不被监控，最少为30分钟热稳定时间，如果DUT的热接触点（引脚，壳体，基板）的温度被监控时，所监控的温度离指定的结温保持在±2℃范围内时，可认为DUT达到稳定。

当使用TCP：把DUT安装在TCP上，设置TCP温度到规定的结温，等到TCP的温度达到和稳定到指定的温度。如果TCP的温度离指定的结温保持在±2℃范围内至少1分钟，可认为TCP达到稳定。

步骤2：给DUT通电流

      打开DUT 电源，按照 DUT制造商推荐的设定时间。如果没有推荐，应使用5ms。

步骤3：光学测量

在DUT制造商推荐的时间范围（准稳态时间）内完成光学和电学测量。如果没有推荐，时间周期应≤20ms。应确保测量的触发时间是正确的（参考附录C），测量积分应在电流脉冲内完成。

步骤4：结果矫正

如果需要，对于估算结温上升的影响进行矫正，或增加测量不确定预算。

 

C、 不确定度估算和结温误差的矫正

应估算与结温上升相关的测量不确定度。附录B给出DUT热模型分析的例子。从估算结温的升高，光通量或色质量敏感系数到DUT的结温，由结温升高引起的误差应估算。如果估算的误差超过可接受的测量不确定度，应进行矫正。如果进行了矫正，矫正方法和矫正因子应给出。应用矫正因子后，残留不确定度应给出，如果没有矫正，估算的误差将考虑来自元件的不确定度。

3）  连续脉冲

在该工作模式下，在某一频率下对DUT用一个非常小的占空比，例如1%连续电流脉冲（一般是额定电流），在时间平均信号下进行光学测量，与稳态DC下的光测量类似。用这个方法时，为避免由于结温增加导致的光学测量误差处在可接受的测量不确定度，占空比必须足够小。否则，需要进行矫正；推荐1%或更小的占空比。图2给出使用该方法的电流脉冲的例子和测量顺序。Dw是每次电流脉冲的宽度，De是脉冲的重复周期，占空比为Dw/De。

由于脉冲的占空比非常低，仪器探测信号与仪器的读数相比有非常高的峰值。应该特别注意的是在脉冲DUT高的发光峰值时，光度或光谱辐射仪器无饱和。（参考附录C中C2）。

如果仪器用稳定DC的光进行标定，原理上，所测的DUT光输出除以电流波形的占空比才得到最终的值；因此，标定占空比是个关键，尤其是当电流脉冲波形非常短，不是很好的矩形时。

1）  环境温度条件。单个脉冲的的要求适用于连续脉冲。

2）  光学和电学测量程序。采用如下程序下：

 步骤1：温度稳定

稳定DUT的温度到期望的结温。

当使用环境温度控制：对于正常温度条件或通过热箱进行温度升高条件，调节环境温度或热箱空气温度到期望的DUT的结温。DUT应不通电，如果DUT的温度不被监控，热稳定时间最少为30min，如果DUT的热接触点（引脚，壳体，基板）的温度被监控时，所监控的温度离所指定的结温在±2℃范围内时，可认为DUT达到稳定。

当使用TCP：把DUT安装在TCP上，调节TCP温度到规定的结温，直到TCP的温度达到和稳定到指定的温度。如果TCP的温度离指定的结温保持在±2℃范围内至少1分钟，可认为TCP达到稳定。

步骤2：应用连续脉冲电流到DUT

     按照DUT制造商推荐的时间设定时间。如果没有推荐，使用100ms。

步骤3：光学和电学测量

在稳态条件下,在规定的积分时间或读数时间平均信号周期里进行所有测量。

积分时间应精确到脉冲周期的整数倍，以避免由于积分时间带来的误差。（DUT脉冲和启动积分不需要同步）

 

步骤4：用电流波形的占空比除以所测的光度或辐射值。

 

步骤5：当需要估算结温升高或增加了测量不确定度预算时要进行矫正。

 

3）  估算由于结温误差带来的不确定度和矫正

与结温上升相关的测量不确定度应估算。使用连续脉冲DUT热模型分析的例子见附录B。如果估算的误差超过可接受的测量不确定度，应进行矫正。如果进行了矫正，矫正方法和矫正因子应给出。

 

6、DC模式下的测量方法

1）概述

DC模式方法适合于乐意在稳态DC输入下使用光度和色度设备DUT使用者。该方法中，脉冲测量仅要求在电学参数测量上（电流和电压），光学测量应在DC工作状态下进行。该方法要求一个TCP，一个脉冲电源，一个快速电压表测量正向电压。

2）环境温度条件

该方法中，因结温被控制到一个常数，环境温度不那么重要，一般的是室温。环境温度应该测量和给出。远程荧光粉LED封装包括在本方法里。

4）  测量程序

如下的程序用来设置DUT的结温。

步骤1：安装DUT

通过MCPCB或其他类似安装技术把DUT安装在TCP上。

步骤2：设置TCP的温度

设置TCP的温度到指定的结温，应稳定到指定结温0.5℃范围内。DUT处于不通电状态，应至少等1min以至DUT的结温稳定TCP的温度。

步骤3 给DUT通上电流

给DUT一步或一个短的脉冲电流，在正向电压处于稳定后立即进行瞬态正向电压Vf（0）测量（图3a）。或者，为了较高精度，可用多个额定电流下的脉冲进行Vf（0）测量（图3b）。对于更高精度，VF（0）可通过拟合和外延Vf（t）曲线到0秒（图3c）。

步骤4：调整TCP的温度

当DUT继续在规定DC电流下工作和加热，调整（降低）TCP的温度，以至所测Vf等于Vf（0），这样，当DUT达到热平衡时保持相同的结温，这可以通过反馈控制来达到此目的。当Vf稳定到Vf（0）时，DUT将设定到所规定的结温。

步骤5：光、电测量

在DC条件下，测量光学参数（辐射、光度和色度）。获得的结果是在指定结温下的测量值。步骤3的时机依靠DUT的类型进行决定。举个例子，DUT 在350mA，一般来说，正向电压在10ms内稳定，Vf可以在100ms内进行测量。

 

附录A  LED工作在脉冲方法和DC方法

本文件讲述了LED工作在指定结温下通过脉冲和DC方法下的LED测量。LED制造商在产品生产过程中进行快速测量，一般采用脉冲方法来测量，该方法不使用TCP来控制温度（TJ=25℃）。脉冲方法要求快速光学测量（10个ms级别），要得到低的不确定度非常困难（见附录B）。需要指定的光学测量设备来进行光学脉冲测量。

DC模式方法能够在稳定DC工作下进行光学测量，对测量设备没有测试速度要求，因此，常用的光度和色度设备都可以使用，例如，用来测量传统灯的积分球光度计和角度光度计。从理论上来讲，DC模式方法设置受测LED结温比脉冲模式工作的精度更高。如果使用矫正程序，设置TJ的不确定度可以在±1℃范围内，光学测量中由于TJ误差引起的不确定度实际上可以忽略。由于光学测量可以在稳态DC模式下进行，光学测量的不确定度应比脉冲模式下的测量要低。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附录B 评估Tj上升和矫正

1、  单一脉冲模型分析例子

可使用热模型计算静态的使用脉冲波形受测的LED热特征。这些模型呈现了由电阻和电容构成的LED梯形网络热路径。每个热阻/电容对在整个热响应过程中定义了一个热时间常数。

通常，这些时间常数与LED 热路径的物理结构有关。使用该网络和标准电路分析技术，LED结温与时间的关系可计算任意信号，例如一个单次激发信号。

分析例子：3W白光LED，50ms脉冲宽度，见图B1。该例子上，结温由20ms时的16℃上升到50ms时的19℃。如果光学测量是在这个脉冲周期内进行（例如，从5mS到25mS），测量结果，例如，光通量和色坐标应在光学测量期间，基于温度依靠光度和色度参数（分别决定），按照结温平均上升进行矫正（近似15℃）。如果估计误差不明显，没有矫正，可以包括在不确定度预算中。温度 VS光通量变化与产品类型有关，典型值是0.1%/℃—0.5%/℃。

2、  分析连续脉冲模式的例子

即使是在占空比非常小的情况下，LED温度也会轻微的增加。在持续脉冲工作条件下，脉冲结束前应该立即结温增加ΔT，ΔT可通过下面等式进行计算。

t是脉冲宽度，T是脉冲周期，Rth是LED的热阻（对环境温度），r(t)是瞬态热阻，P是LED的电功率。r(t)的例子见图B2。

例如，3W LED，脉冲宽度0.05ms，周期5ms（200HZ，占空比1/100），使用图2的r(t)数据，结温增加为ΔT≈2.3℃，测量的光度和色度值误差可通过ΔT值和温度与光度量的数据来评估。从而，允许进行矫正或计算不确定度的贡献。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附录C脉冲模式下光学测量

 

1、  单一脉冲

光学测量设备必须能测量与电流脉冲同步的短时间的光学脉冲能力。当LED通上电时，LED结温在开始时快速升高，LED电源和光谱辐射计的步调一致性非常重要，为确保同步，应使用硬件触发模式（不是软件），例如，LED电源的“OUTPUT DONE”信号与光谱辐射计的‘TRIGGER“输入连接。注意的时，软件触发模式也可通过电源和光谱辐射计的软件来实现，但，软件触发模式一般比较慢，在有些情况下，LED点亮后100 ms才触发辐射光谱计进行测量。而且，软件触发时间不可靠，会受到计算机硬件、操作系统和同时运行的程序数的影响。

2、  连续脉冲

光度计或光谱辐射计设备应能准确测量脉冲的光学辐射。应确保测量设备探测器和测量电路在遇到与时间平均读数相比非常高的峰探测器输出信号时不饱和。如果占空比是1%，峰值探测器电流高脉冲比时间平均读数高100倍。自动量程亮度计在如此脉冲光下可能不能很好的工作。

如果光度计使用一个Si光二极管头，典型的Si光二极管线形响应不超过100μA光电流瞬态输出，所以，占空比为1%时脉冲电流的时间平均读数应为1μA或更小，以确保探测器不饱和。可通过测试光度计头的线性来检查。光电流放大器的线性可通过信号发生器来测量，例如，1μA稳态DC电流和1%占空比、脉冲100μA峰值方形电流脉冲。如果放大器工正常工作，信号的时间平均读数应相同。

如果使用光谱辐射计阵列，其线性应在持续脉冲下进行测量。