基于LabVIEW的大功率LED溫升測試及研究

黃遠鵬 陳德為 莊煜祺

(福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108)

1 引言

隨著經濟的發(fā)展，傳統(tǒng)能源在世界范圍內已被大量消耗，開發(fā)新能源，發(fā)展可再生能源技術已成為世界各國可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。自1962年第一支商用發(fā)光二極管 (LED)的出現(xiàn)，人們開始關注這種小巧的固體光源，因為與其他光源相比，它具有無污染、壽命長、耐振動和抗沖擊的鮮明特點，已經廣泛應用于各種指示、裝飾和屏幕背光源等。近十幾年，由于大功率白光LED的研制成功，使得它在照明市場的前景備受全球矚目，它必將成為21世紀的新一代照明光源［1，2］。

然而，目前大功率LED在照明領域沒有廣泛普及，原因除了價格成本高以外，另外一個限制LED發(fā)展的技術瓶頸是散熱問題［3］。在LED的輸入電功率中，有超過60%的能量轉化為熱量，使得LED的結溫升高［4］。如果不能快速地將PN結的熱量散發(fā)出去，將影響到LED的照明度和使用壽命［5］。因此，有效的熱管理能夠提高LED使用性能，而準確測量和快速預測LED的溫升將有助于合理設計熱管理。

2 測試系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)測量對象為1W白光LED，在300mm積分球內，環(huán)境溫度在27℃ ～28℃，相對濕度為35%～45%，分別測量LED在150mA～550mA驅動電流下基板溫度、光電流和LED兩端電壓降。

測試系統(tǒng)將非電量轉換為電量，經數(shù)據(jù)采集卡，通過USB傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)的讀取、顯示、處理與存儲。

2.1 硬件設計

圖1為系統(tǒng)測試硬件框圖，包括單片機控制的LED驅動恒流源，溫度傳感器和光度探測器的信號調理電路，數(shù)據(jù)采集卡和計算機等。

圖1 測試系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Block diagram of testing system hardware

1)LED驅動電源設計

對于LED驅動電源，大部分都采用恒流源驅動。因此，本文采用單片機控制，設計了可控恒流源驅動電路，并通過單片機串口實現(xiàn)與計算機通信。驅動電路框圖如圖2所示。其中DA轉換器和AD轉換器分別采用12位串行數(shù)模轉換器MAX539和12位串行模數(shù)轉換器MAX1241。

圖2 恒流源電路框圖Fig.2 Block diagram of a constant current source circuit

2)信號調理電路設計

溫度傳感器采用AD590，在－55℃ ～+150℃范圍內，非線性誤差僅為±0.3℃;光度探測器是硅光電二極管，光譜光視效率f＜5%，兩者輸出量都是電流型，需要進行I/V轉化，通過放大電路，將輸出電壓量調整到一個數(shù)據(jù)采集卡能夠采集到的合理范圍內。

3)數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡采用的是由北京中泰公司的USB7325A型光電隔離型模入數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)最高采集速率為250kHz/s，16路單端或8路雙端模擬輸入通道，12位分辨率，其A/D轉換啟動方式可以選用程控觸發(fā)、外部觸發(fā)兩種方式，16路TTL電平的數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出接口和3路16位字長的計數(shù)/定時器，以及1MHz的基準時鐘。本文所需測量的量有溫度傳感器和光度探測器經信號調理電路所得到的兩個電壓模擬量，以及采用儀器放大器電路測量的LED兩端電壓差模擬量。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)上位機設計采用LabVIEW軟件。LabVIEW程序是采用圖形化編程語言編寫程序的，程序運行是以數(shù)據(jù)流形式執(zhí)行的。LabVIEW具有龐大的庫函數(shù)，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及存儲等，能完成任何編程任務。本文中上位機采用LabVIEW軟件控制數(shù)據(jù)采集包括采樣通道、采樣頻率和觸發(fā)方式等，實現(xiàn)參數(shù)采集任務。圖3為LabVIEW測試面板。

圖3 LabVIEW測試面板Fig.3 LabVIEW test panel

對于程序框圖設計，采用疊層順序結構設計，調用數(shù)據(jù)采集卡的動態(tài)鏈接庫 (DLL)，以完成采集卡的打開、采集、關閉等操作。程序分為四幀，第一幀為打開數(shù)據(jù)采集卡，清除錯誤標志;第二幀為串口通信設置;第三幀為數(shù)據(jù)采集、曲線繪圖和存儲，如圖4所示;第四幀為清除采集卡錯誤標志位，關閉數(shù)據(jù)采集卡。

3 測試數(shù)據(jù)分析與處理

圖5為系統(tǒng)采集得到的LED基板溫度、光輸出、LED電壓降數(shù)據(jù)。從圖5中可以看出，隨著LED點亮過程，基板溫度逐漸升高，LED的光輸出和兩端電壓降也隨之降低。在過100s～200s后，三者的變化變緩，逐漸趨于平衡狀態(tài)。

圖4 第三幀程序設計框圖Fig.4 Block diagram of the third frame program design

圖5 LED溫升、光輸出和兩端電壓降采樣數(shù)據(jù)Fig.5 Sampling datas of LED temperature rise，light output and voltage drop

圖6 實際光電流與輸出電壓數(shù)據(jù)及曲線擬合Fig.6 Datas of actual light current and output voltage and the fit curve

圖7、圖8、圖9分別為350mA驅動電流下，LED的溫升曲線，光電流變化曲線和LED電壓曲線。三者的變化規(guī)律基本一樣，因此可用相同的曲線擬合方法進行曲線擬合。通過分析，以自然對數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)進行曲線擬合，利用Matlab的曲線擬合工具箱，函數(shù)模型 f(x)=aebx+cedx，a、b、c、d為待求系數(shù)。擬合后，溫度曲線的吻合度R值為0.9946，光電流曲線的吻合度 R值為0.9902，電壓曲線的吻合度R值為0.9823，并通過計算得到相應的函數(shù)模型的系數(shù)，該函數(shù)模型能夠較為準確地反映出曲線變化規(guī)律。這對于LED使用壽命長，測試時間長等特點，找到一種準確的函數(shù)模型并基于該模型將有助于快速預測LED的溫升和使用壽命等情況。

圖7 LED溫升曲線擬合Fig.7 The fit curve of LED temperature rise

圖8 LED光電流與時間曲線擬合Fig.8 The fit curve of LED light current and time

圖9 LED電壓降與時間曲線擬合Fig.9 The fit curve of LED voltage drop and time

本文還對LED在不同驅動電流下和有無散熱片等情況測試了其溫升曲線。圖10為不帶散熱片的LED在不同驅動電流下的溫升，跟前面分析一樣，溫升曲線規(guī)律基本一致，驅動電流越大，LED的溫升也越大。從圖11可以明顯看出，帶有散熱片的LED可以大大改善LED的散熱，降低LED的溫度。

4 小結

圖10 不同驅動電流下LED溫升曲線Fig.10 LED temperature rise curve of various drive current

圖11 有無散熱片LED溫升曲線Fig.11 LED temperature rise curve without heatsink

本文通過設計了測量LED的溫升、光電流和兩端電壓的測試系統(tǒng)，分析采集得到的數(shù)據(jù)，采用曲線擬合方法，找到了與LED溫升曲線、光電流曲線吻合度較好的數(shù)學函數(shù)模型，函數(shù)模型為f(x)=aebx+cedx。由于LED使用壽命長，測量時間長等特點，通過數(shù)學函數(shù)模型，可以快速預測LED使用過程的溫升及使用壽命等情況。因此，本文后續(xù)工作將在于驗證該函數(shù)模型的準確性，并能否準確地對LED使用情況進行可靠的預測。

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