LED熱分析實驗系統中光功率測量模塊的設計

谷承儒 張建新 薛亮 趙政 鄒正陽 顏會芬 任釗杰 李銳

摘 要：光功率測量是對LED光學和熱學性能進行評價與分析的必備環節。為了搭建學生教學使用的LED熱分析實驗系統，設計了一款LED光功率采集模塊。該模塊的光學腔能為LED提供散熱組件，并可排除光信號被硅PIN光電二極管采集時的光線干擾問題，輸出可靠的電流信號，進而被后續的對數放大電路轉化為電壓信號。該電壓信號在STM32F103主控芯片的定時控制下，被A/D轉換器處理成數字信號，并實時上傳至計算機軟件。在采集電壓的數據處理中，平滑處理可進一步濾除信號噪聲，參照焊點溫度的擬合處理可實現采集電壓與光功率的對應校準。本模塊設計簡潔，成本低廉，測量速度快，分辨度良好，非常適合在LED散熱相關課程的實驗教學中推廣使用。

關鍵詞：光功率測量 LED 光電二極管 對數放大電路

中圖分類號：TH741 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0099-04

Abstract：Optical power measurement is an essential test for the analysis and evaluation of LED optical and thermal performance. In order to set up an experimental system of LED thermal analysis， an optical power measurement module was designed and implemented. In the measurement module， optical cavity provides heat sink for LED cooling and eliminates light interference in the process of light signal acquisition by Si-PIN photodiode. The output current signal of Si-PIN photodiode can be converted to voltage signal by logarithmic ratio amplification circuit. Under the control of STM32F103 devices， the analog voltage signal can be converted to digital voltage signal through A/D converter and transmitted to computer soft via serial port. In data processing of acquired voltage， appropriate data smoothing can remove the noise in signal， the fitting formula based on solder joint temperature by linear regression analysis can be used to calibrate the relationship between acquired voltage and optical power. The optical power measurement module has some advantages such as simple structure， low cost， high measure speed， and higher resolution. Therefore， the measurement module is worth to widely apply in experimental teaching of related courses.

Key Words：Optical power measurement； LED； Photodiode； Logarithmic ratio amplification circuit

大功率LED憑借高光效、長壽命、綠色節能、快速響應、結構緊湊等優點，已被作為新一代節能光源而大力推廣到照明、裝飾和顯示等領域[1-2]。在LED的實際應用中，其輸出光功率的大小不僅是判斷電光轉換效率和節能程度的重要指標，而且由于LED對溫度十分敏感，在對其進行熱阻測量和散熱性能分析時，也必須同時測得光功率隨LED溫度的變化趨勢，以及LED在不同工作狀態下熱功率（熱功率等于電功率與光功率的差值）的具體數值[3]。因此，光功率是LED產品在研發、制造及質檢等環節中用于性能評價的基本參數之一。

在LED的實際生產與性能研究中，光功率可通過積分球設備準確測得，但積分球并不能同步測量LED的熱學數據。若光功率與熱學數據在不同設備中分別測得，勢必會造成光、電、熱參數在測量條件上不能保持一致，而這種不一致也將導致在熱學分析時產生較大的誤差。此外，積分球設備缺少控溫裝置，會使LED在點亮初期出現快速的溫度攀升，而積分球的測量速度較慢，并不能準確采集某一時刻的真實光功率數值。再者，積分球設備屬于精密檢測儀器，售價較高，需專人操作，不適合學生實驗教學使用。

為了搭建一套適合學生教學的LED熱分析實驗系統，本文選用STM32F103作為主控芯片（MCU），并基于對數放大電路設計一款帶光學腔的LED光功率采集模塊，使其能夠快速采集LED的光信號，并通過必要的數據處理，獲得LED不同工作狀態下的光功率數值。

1 LED及其光功率測量原理

光功率測量模塊的應用對象為CREE公司生產的XLamp 7090XR-E型LED燈珠，它能適應200～750mA大范圍的電流變化，只需調節LED的驅動電流IF，就可以輸出一系列變化分明且穩定的光功率PL。

LED光功率測量模塊的工作原理如圖1所示。當LED被點亮工作后，其光信號在無外界光干擾和本身出光的反射干擾的光學腔內，被光電二極管接收并轉變為電流信號，該電流信號再經過對數放大電路轉化為電壓信號。操作者可通過計算機軟件設定光功率測量的起止時間和采樣間隔等參數，使MCU遵照該設定參數控制A/D轉換器采集對數放大電路輸出的電壓信號，并處理成數字信號，MCU再將數字信號經串口傳輸給計算機軟件，最終由軟件完成數據處理，并將測量結果展示給操作者。

2 光功率測量模塊的硬件設計

2.1 光學腔的設計

光學腔主要是為LED向光電二極管傳遞光信號的過程提供一個盡可能排除光線干擾的環境，其設計模型如圖2所示。光學腔主要由亞克力板粘接成方形結構，其頂部設置有密封蓋，方便光電二極管、LED及其散熱組件的安裝與更換。光學腔的左右兩側分別是帶散熱器的LED和光電二極管，二者在光學腔內處于正相對位置。為了盡可能減少光線干擾，光學腔的所有內壁均粘貼黑色植絨布。

2.2 光電二極管的選擇

光電二極管是一種將光信號轉變成電流信號的光電傳感器件，其輸出電流值與被測光源的光功率大小存在明確的正比關系。目前，能用于可見光探測的光電二極管主要有：PN型、PIN型和雪崩型。其中，PN型的響應速度過低，不滿足LED光功率的快速采集要求；雪崩型雖響應速度很快，但具有顯著的倍增效應，在大功率LED的光照下極易產生大電流而被燒毀；PIN型光電二極管具有適中的響應速度和輸出電流，且工作參數的溫度穩定性較好，符合本設計的選型要求。

此外，本文主要針對波長在380～780nm范圍的白光LED進行光功率測量，而硅PIN光電二極管在該波長區域的響應度較高，約在0.1～0.6A/W[4]，且對于較寬的發光光譜也有著良好的測量靈敏度和很低的暗電流及噪聲[5]，因此本文選用硅PIN光電二極管作為光信號的采集器件。

2.3 對數放大電路的設計

在電流信號向電壓信號的轉化環節，本設計采用了專門提供光電二極管接口的AD8304芯片。該芯片能將光電二極管的微小電流依照對數比放大并轉化成電壓信號，這種對數放大模式可以獲得很大的動態范圍，能夠提高較低分辨率的信號采集精度，并且芯片內部集成了溫度補償電路，可減少溫漂影響，提高信號的轉換精度和穩定度[6]。

2.4 MCU控制下的信號采集與A/D轉換

本設計選用的MCU內部已含有12位逐次逼近型的A/D轉換器，該A/D轉換器可以在MCU的控制下，將對數放大電路輸出的電壓模擬信號轉換成數字信號，其轉換精度基本滿足設計需求。由于LED在點亮初期的溫升很快，為了及時捕捉快速溫升下的光功率變化數據，本設計在計算機軟件界面上為MCU設定的采樣時間間隔為1s，總體采樣時間為20min。當每次采樣結束后，MCU都會通過串口將A/D轉換得到的電壓數字信號上傳給計算機軟件，并自動存儲在數據文件中。

3 光功率測量的數據處理

3.1 采集電壓數據的平滑處理

圖4是LED光功率測量模塊搭建完畢后的實物照片，圖5是以LED驅動電流IF=550mA為例，測量模塊中LED的焊點溫度TR以及采集電壓Vout的原始數據和平滑處理后的數據分別隨LED工作時間的變化趨勢。由圖5可以看出，隨著LED工作時間的延長，焊點溫度TR先是快速上升，再緩慢達到平衡；采集電壓Vout的原始數據與TR的變化趨勢相反，完全符合光功率隨LED溫度升高而下降的變化趨勢。雖然對數放大電路中采用了基本的濾波措施，但Vout的原始數據仍然不夠穩定，需要在計算機軟件中實施平滑處理，從而進一步濾除信號噪聲。

3.2 由采集電壓向光功率的校準處理

為了將采集電壓Vout與LED的光功率PL進行對應校準，首先在本設計的光功率測量模塊中獲得了LED不同驅動電流下采集電壓Vout與焊點溫度TR的關系曲線（見圖6），然后將同一顆LED連同散熱器一起轉移至積分球中，再一次測量該LED在不同驅動電流下光功率PL與焊點溫度TR的關系曲線（見圖7）。

通過對圖6和圖7中的每一種驅動電流情況下的測量數據進行線性擬合，分別獲得采集電壓Vout與焊點溫度TR的關系式以及光功率PL與焊點溫度TR的關系式。同樣以LED驅動電流IF=550mA的情況為例，線性擬合得到的兩種公式分別如下：

按照上述方法，可獲得所有驅動電流下光功率PL隨采集電壓Vout而變化的關系式，并且為了直觀顯示二者的對應關系，將其散點數據展示在圖8中。由圖8可以看出，不僅在不同驅動電流情況之間，而且在同一驅動電流時的不同溫度情況下，測量結果均具有較為明顯的光功率分辨度，能夠在將其用于搭建學生教學使用的LED熱分析實驗系統時，有助于學生理解和熟悉LED溫度對光功率的影響趨勢，并能為后續的LED熱性能分析提供較為正確的光功率數值。

值得注意的是，由于出產廠家或生產批次不同的白光LED通常會具有不同出光光譜，在更換實驗樣品時，需要再次進行校準處理。

4 結語

本文設計了一款帶有光學腔的LED光功率采集模塊。其中，光學腔不僅可以抑制光信號采集時的光線干擾，而且能為LED提供散熱組件，可降低LED的溫升速度，并保障其正常工作。選用的硅PIN光電二極管可將采集的LED光信號轉變為電流信號，再經過基于AD8304的對數放大電路，進一步將電流信號放大并轉化成電壓信號。該電壓信號在MCU的定時控制下被A/D轉換器處理成數字信號，并實時上傳至計算機軟件。在計算機軟件中，采集的電壓數據經過平滑處理后，可進一步濾除信號噪聲，并通過焊點溫度為“紐帶”，將采集電壓數據與相同LED（含散熱器）在積分球中的光功率測量數據進行對應，并完成擬合校準處理。

本設計結構簡單，成本低廉，且易于校準和上手操作，能快速跟蹤采集快速溫升過程中的LED光功率變化，并對不同工作狀態下的LED均具有較明顯的光功率分辨度，有助于學生學習和掌握LED光學和熱學性能分析的基本趨勢和原理，滿足學生實驗教學的技能培養要求，具有良好的應用前景和繼續開發優化的參考價值。

參考文獻

[1] Cho Jaehee，Park Jun Hyuk，Kim Jong Kyu，et al.White light-emitting diodes： History， progress， and future[J].Laser and Photonics Reviews，2017，11（2）：147.

[2] Fan Yifeng，Li Wenzhe.The application of LED light source in modern landscape lighting design[J].Light and Engineering，2017，25（3）：110-116.

[3] 張建新，武志剛，李松宇，等.LED散熱模塊總熱阻測量實驗系統開發[J].實驗技術與管理，2013，30（12）：77-81.

[4] 楊軍.基于PIN光電二極管的光功率計設計[D].哈爾濱理工大學，2012.

[5] 王子孟.PIN硅光電二極管的原理和應用[J].光學儀器，1984，6（4）：1-9.

[6] 楊浩，劉譯文，趙笠錚，等.基于AD8304對數放大器的高精度光功率計的設計[J].實驗科學與技術，2015，13（4）： 215-218.

[7] 周真，楊軍，秦勇.基于PIN光電二極管的光功率計[J].儀表技術與傳感器，2013（6）：43-45.