环境温度和驱动电流对白光LED的温度敏感光学参数影响
左佳奇龙兴明冯媛媛任霄钰梁望苑进社
（重庆师范大学 物理与电子工程学院，重庆 401331）
摘 要：白光发光二极管（LED）温度敏感光学参数是结温测量的重要手段，本文对不同环境温度和驱动电流条件下LED 温度敏感光学参数包括：峰值波长、蓝白功率比和光通量法与正向电压结温测量法的测量精度进行了对比实验研究。实验结果表明：在环境温度恒定为30℃、驱动电流改变范围在100mA-700mA的工作条件下，峰值波长法和蓝白比法与结温有良好的相关性，对比误差小于3.9%，而光通量法对比误差最大为6.3%；在电流恒定为700mA、环境温度在25℃-75℃之间变化的工作条件下，峰值波长法、光通量法及蓝白功率比法中的光学参数与结温都具有良好的线性关系，整体对比误差小于3.25%。 关键词：白光LED；温度敏感；光谱参数；精度相关性
DOI: 10.3969/j.issn.1671-6396.2015.03.003
1 引言
近年来，白光发光二极管（LED）由于其低功耗、超长工作时间和环境友好（无汞）等特点已成为照明
领域的优势器件之一[1,2]。研究者对白光LED的性能改善和可靠性方面已做了大量研究，但结温仍是影响器件性能的重要参数[3]。一方面在现代LED智能照明中，改变驱动电流已经成为调节LED灯珠亮度和温的重要手段之一，但调节电流也会伴随带来器件结温的改变[4]。另一方面，在传统的LED照明中，大多采用恒流驱动的模式，这一模式在实际应用时，常常遇到环境温度变化差异大的问题。以中国为例，我国幅员辽阔，不仅某些地区存在昼夜温差大或短时间内气温变化较快的情况，而且同一时间段南北地域温度分布不均，存在十几度甚至几十度的温度差异[5]。在没有温度补偿机制的情况下，不可控的温度变化将导致LED发光效率降低、颜偏移失真、寿命缩短等问题[6]。因此在温度恒定改变驱动电流和驱动电流恒定改变环境温度这两种情况下，测试白光LED 的光谱参数与结温变化特征就十分必要[7]。
利用光学特性来测量LED结温是一种非接触式测试法，它具有不损害LED灯具的整体结构，不破坏LED的工作状态，是一种理想的测试结温方法。光谱法测量LED结温的思想由Hong[8]提出，该方法主要是通过峰值波长随结温的漂移关系来确定LED结温，Hong测量了9种不同的红LED，尽管其峰值波长不相同，但峰值波长随结温变化的系数却非常一致，均为0.1376nm/℃；刘立明、Senawiratne[9,10]利用光谱法研究并报道了LED注入电流与发光峰值波长存在相关联系，红光和黄光LED结温与峰值波长的变化系数分别为0.1593nm/℃和0.1463nm/℃；Narendran等人还提出了蓝白比法[11-13]，其光谱蓝白积分比（R）与结温的变化系数为-0.1641℃/R，主要原理是结温的升高将导致
芯片及荧光粉的发光效率同时下降，但荧光粉的下降更迅速，从而使白光光谱中蓝光的比例发生变化。
基于上述讨论，利用非接触式的光谱参数法对大功率LED结温的测量一直是研究热点，但在同种工作环境下受结温影响的各个光谱参数的测量精度及适用性对比研究报道相对较少。本文测定了结温与LED发射光谱的峰值波长、光通量和光谱蓝白功率比的关系，并和正向电压法测得的结温进行比较。
2 实验装置及方法
图1是本实验装置示意图，图中：通过1：可控加热板，用来控制4样品LED环境温度（控温范围为10℃-250℃，精确度为±1℃），使用2：恒流驱动电源为LED提供驱动电流（最小驱动电流为1mA)，实验中使用3：深圳CEM公司四通道热电偶测温仪（DT-8891D，提供0.1℃的分辨率），用于实时检测被测LED外壳温度，4：为实验所选用的LED 样品，样品使用5颗商用白光LED 1W灯珠，呈条形等距封装在铝质散热基板上，散热基板与加热板之间涂有导热硅胶，保证热量均匀传递，样品LED被点亮后，光束通过5：聚光透镜和导光筒，聚光透镜材质为石英玻璃，可将LED 发出的可见波段的光最大程度汇聚到6：积分球中，避免由普通玻璃引起的蓝紫波段被吸收等情况而产生误差，聚光透镜置于导光筒中，样品光谱由7：杭州星谱公司SSP3112 LED 光电综合检测仪进行检测，最后在与综合检测仪相连接的8：计算机上实施被测样品数据的读取和分析。 图1 LED结温与光谱实验测试系统
3 结果与讨论
中央空调控制基于电流改变所引起的结温变化与环境温度改变引起的结温变化，对光谱特性的影响有所不同，实验研究了环境温度恒定，改变驱动电流和驱动电流恒定，改变环境温度两种情况下的LED电流和结温与
峰值波长、光通量及蓝白功橡胶弹力球
率比的关系，同时与正向电压法测得的结温进行了对比。 3.1 环境温度恒定情况
对LED 样品的驱动电流改变范围100-700mA ，每次增量100mA ，调节加热板，控制环境温度恒定为30℃，稳定30分钟，使LED 与加热板温度达到热平衡。记录每次电流改变样品工作状态稳定后的光谱数据。
F o r w a r d V o l t a g e / V
Junction Temperature/ o C
图 2 样品结温与正向电压关系
图2为实验采用正向电压法测量的样品LED 的结温与
正向电压的关系图。从图中可以看出样品的初始正向电压与初始结温符合线性关系，线性拟合的结果为如图2中的拟合公式，样品的R
2数值为0.998。
444445
446
447
W a v e l e n g t h / n m
Junction Temperature/ o C
图 3 样品峰值波长与结温关系
图3为样品的峰值波长与结温的关系曲线。从图中可以看出，环境温度不变时，随着驱动电流的增加，样品结温也在增加，同时样品的发射光谱蓝光部分均出现稳定蓝移，其中峰值波长由446.5nm 减小到444.5nm 。设光谱峰值波长与驱动电流的关系为：
1T K
T j +−=
λλ
式中：T 0为初始结温，T j 为稳定后的结温，λ0为T 0时所对应的峰值波长，λ1为T j 时对应的峰值波长，线性拟合结果见图3。从图中可知驱动电流与峰值波长具有良好的线性关系，样品的R 2拟合数值为0.988，说明峰值波长可以有效推算结温的变化。波长蓝移的原因可能是由于GaN 材料多量子阱区域的自由载流子数增加，在屏蔽部分内建电场的同时，削弱了斯塔克效应，阱中基态升高，从而使LED 峰值向短波方向移动
[7]。 L u m i n o u s F l u x / l m
微波功率放大器
Junction Temperature/ o
C
图 4 样品光通量与结温关系
图4为样品的光通量与结温的关系图。从图中可知，光通量与结温具有良好的线性度，说明光通量可以有效的反应结温的变化。设光通量与结温的关系为：
1T K L L T j +−=
式中：T 0为初始结温，T j 为稳定后的结温，L 0为T 0时所对应的光通量，L 1为T j 时对应的光通量。线性拟合关系见图
4，样品的R 2数值为0.967。
0.275
0.280
0.285
0.290
B / W r a t i o
Junction Temperature/ o
C
图 5 样品蓝白比与结温关系
图
5为样品的结温与蓝白功率比的关系图。在此，定义W 为光谱中整个白光部分的功率，B 为蓝光部分的功率，则其比值R =B /W 应为结温的函数。从图5中可以看出，样品的蓝白比与结温呈较好的线性关系，设此处光谱蓝白比与结温关系为：
1T K R R T J +−=
式中：T 0为样品初始结温，T J 为电流改变后的结温，R 0
为T 0时光谱蓝白比值，R 1为T J 时光谱蓝白比值。样品的R 2拟合数值为0.989。
表1为环境温度恒定，改变驱动电流的情况下三种方法测得的LED 稳定发光时的结温与正向电压法测得的结温对比。使用正向电压法、峰值波长法、光通量法和蓝白比法测得的结温结果见表1 的T jv 、T j λ、T jL 和T jR 。在表1中，以正向电压法测得的结温为参照，峰值波长法测得的最大结温差值为2.8℃，光通量法为4.5℃，蓝白比法为1.7℃。峰值波长法与蓝白比法与结温有较好的相关性，对比误差小于3.9%而光通量法的结温测量误差较为显著，三种方法测量最大对比误差小于为6.3%。
表1 环境温度恒定下四种结温测试法的比较
V 1/V
λ1/nm L 1/ml R 1/a .u . T jv /℃ T j λ/℃ T jL /℃ T jR /℃
3.391 446.2 9.17 0.280 33.4 31.8 33.6 32.1 3.364 445.9 13.02 0.282 42.7 42.2 4
农产品干燥机
4.3 41.8 3.337 44
5.5 17.58 0.284 52 53.5 54.2
52.7 3.311 445.2 20.28 0.287 60.9 63.5 64.5 62.6 3.280 444.8 24.45 0.289 71.6 74.4 76.1 73.3
3.2 驱动电流恒定情况
对样品，控制驱动电流恒定为700mA ，调节加热板温度变化范围为25-75℃，增量为5℃，每次测量时间间隔30分钟，使样品LED 与加热板的环境温度达到热平衡。
W a v e l e n g t h / n m
Junction Temperature/ o
C
图 6 结温与峰值波长关系
图6为样品的结温与峰值波长的关系图。从图中可以看出，驱动电流不变时，随着环境温度的增加，样品的发射光谱蓝光部分均出现稳定红移。其中，峰值波长由444.0nm 增加到446.9nm 。其拟合关系式见图6，R 2拟合数值为0.989。波长红移的原因是由于温度升高产生的热效应引起的带隙收缩，晶体中的电子共有化运动加速，能级分裂加剧，使得禁带宽度E g 变小，由波长公式λ=1240/E g 知道，此时峰值波长向长波方向移动，即峰值波长红移。
图7为样品的结温与光通量的关系图。从图7中可看到，样品光通量随结温的升高而递减，具有良好的线性关系。其拟合关系式见图7，R 2拟合数值为0.987。分析可能原因如下：由于LED 蓝光芯片结温逐渐升高，降低了蓝光芯片的辐射复合效率，从而降低电光转换效率，较少蓝光辐射，位于其上方的荧光粉层的温度也不断升高，荧光粉的荧光效率随之降低，所以出现了光通量衰减的现象。通过回复性实验发现此种改变是可逆的，随着温度回到初始值，输出的光通量也会回复到原先的数值。此效应发生的机理应该是由于材
料本身的某些参数会随着温度而发生改变，例如温度的增加，导致半导体材料的禁带宽度变窄，电子迁移率减小，电子空穴对的浓度增加，这些都会导致器件光通量输出的变化。当温度恢复时，材料参数的改变也随之消失，光通量的输出也恢复到原来的状态。
乐器架
24.0
25.226.427.6L u m i n o u s F l u x / l m
Junction Temperature/ o
C
图 7 结温与光通量关系
B / W r a t i o
Junction Temperature/ o
C
图 8 结温与蓝白比关系
图8为样品的结温与蓝白比的关系图。从图中可以看到，样品的蓝白比与结温呈递增关系。其拟合关系式见图8，R 2拟合数值为0.992，线性程度较好。
表2 驱动电流恒定下四种结温测试法的比较
V 1/V
λ1/nm L 1/ml R 1/a .u . T jv /℃ T j λ/℃ T jL /℃ T jR /℃
3.323 44
4.4 26.99 0.2907 27.3 28.3 27.5 26.1 3.301 44
5.0 2
6.23 0.2918 3
7.9 39.5 3
8.3 36.8 3.274 445.7 25.40 0.2930 48.8 52.1 4
9.8 47.5 3.252 446.4 24.62 0.2940 59.5 61.8 60.7 58.7 3.230 446.9 23.87 0.2950 70.6 72.9 71.2 69.4
表2为驱动电流恒定，改变环境温度的情况下三种方法
测得的LED 稳定发光时的结温与正向电压法测得的结温对比。使用正向电压法、峰值波长法、光通量法和蓝白比法测得的结温结果见表2 的T jv 、T j λ、T jL 和T jR 。在表2中，同
样以正向电压法测得的结温为参照，峰值波长法测得的最大结温差值为2.3℃，光通量法为1℃，蓝白比法为1.3℃，说明峰值波长法、光通量法和蓝白比法与结温都有较好的相关性，三种方法测得最大对比误差小于3.25%。
4 结论
本文以铝质基板作为散热片的白光LED，在恒定环境温度改变驱动电流和恒定驱动电流改变环境温度两种情况下进行测量，得到LED样品的峰值波长、光通量、蓝白比与结温的关系，并对测量结果与采用正向电压法测得的结温进行对比分析。结果表明，在环境温度恒定、电流可变的条件下，峰值波长法和蓝白比法与结温具有较好的相关性，而光通量法测得的误差较大；在电流恒定、环境温度可变的条件下，峰值波长法、光通量法及蓝白功率比法中的光学参数与结温都有良好的线性关系。实验采用光谱参数法具有最大程度避免对LED正常工作的干扰且不影响设备运行等优势，这些结论对LED结温测试的研究发展具有重要意义。
参考文献
[1] H.S.Jang,Y.H.Won,D.Y.Jeon. Improvement of electroluminescent property
of blue LED coated with highly luminescent yellow-emitting phosphors[J].
Applied Physics B,2009,95(4):715-720.
[2] J. K. Park, C. H. Kim, S. H. Park, et al.. Application of strontium silicate
yellow phosphor for white light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters,2004, 84(10):1647-1649.
[3] Yue Lin, Yu-Lin Gao, Yi-Jun Lu, et al.Study of temperature sensitive
optical parameters and junction temperature determination of light- emitting diodes[J].Applied Physics Letters,2012,100(20):2108.
[4] LIU Zu-long,GUO Zhen-ning,HU Zhi-wei,LIN Jian-nan. Effect of
Dimming on LED Color Temperature and Luminous Flux[J].Journal of Huaqiao University(Natural Science),2013,33(1):14-17.
[5] ZHOU Dan,ZHANG Bo,LI Xiao-ya,et al. Analysis of Variations of
Climatic Elements in Surface Ground of Mailand China During 1961-2010[J].Resources and Environ
ment in the Yangtze Basin,2014, 23(4):551-558.
[6] ZHANG Hai-bing, LU Yi-jun, LI Kai-hang, et al. Research on voltage-
temperature coefficient of high power light-emitting diodes[J].Journal of
Optoelectronics·Laser, 2008, 19(12):1580.
[7] CHEN Ting, CHEN Zh-i zhong, LIN Liang, et al.Methods for
determining junction temperature of GaN-based white LEDs [J].Chinese Journal of Luminescence,2006,27(3):408-412.
[8] Hong E, Narendran N. A method for projecting useful life of LED
lighting systems.Third International Conference on Solid State Lighting[A], Proc. SPIE[C], 2004, 5178:93-99.
[9] LIU Li-ming, ZHENG Xiao-dong.Measurements of LEDs Spectral
Characteristics and Junction Temperature [J].Acta Photonica Sinica, 2009, 38(5):1069.
[10]Senawiratne J, Chatterjee A, Detchprohm T, et al. Junction temperature,
spectral shift, and efficiency in GaInN-based blue and green light emitting diodes[J].Thin Solid Films, 2010, 518(6):1732.
[11]ZHAO Guang-hua,CHEN Hai-yan.A non-contact measurement method
for junction temperature of high powor white LEDs [J].Journal of Circuits and Systems,2010,15(1):125-128.
[12]V AITONIS Z,VITTA P,ZUKAUSKAS A.Measurement of the junction
temperature in high-power light-emitting diodes from the high-energy wing of the electroluminescence band [J].Journal of Applied Physics, 2008,103(9):093110.
木材拉丝机[13]Gu Y, N Narendran. A non-contact method for determing junction
temperature of phosphor-converted white LEDs [A]. Third International Conference on Solid State Lighting, Proceedings of SPIE [C],2004, 5187:107-114.
[基金项目] 重庆市自然科学基金CQ CSTC (批准号：No. CSTC 2013jcyjA90002)，中国博士后56批面上基金一等资助，国家自然基金（51107156）。
[作者简介] 左佳奇（1987—），男，重庆人，硕士，主要从事LED光学测量技术研究。
The Effect of Environment Temperature and Driving Current on the Temperature Sensitive Optical Parameters of White LED
ZUO Jia-qi, LONG Xing-ming*, FENG yuan-yuan, REN Xiao-yu, LIANG Wang, YUAN Jin-she
(School of Physics & Electronic Engineering, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China)
Abstract: T emperature sensitive optical parameters of white light emitting diode (LED) are important for measuring the junction temperature. In this paper, we conducted a comparative experimental study on the measuring accuracy of temperature sensitive optical parameters of LED, which Included: the Peak-Wavelength, the Luminous-Flux, and the Ratio R=B/W in different environment temperature and driving current conditions. The results showed that, 1)Under the condition of a constant ambient temperature of 30℃ and drive current 100-700mA, the Peak-Wavelength method
and ratio R=B/W method both had a high accuracy in measuring LED junction temperature, with the comparative error less than 3.9%; while the Luminous-Flux-method is 6.3% ; 2) Under the condition of a constant drive current 700mA, with the ambient temperature changed from25 to 75℃, the optical parameters measured by all these three methods have good linear relationship with the LED junction temperature, the comparative error is less than 3.25%.
Keywords: White LED; Temperature Sensitive; Spectral Parameters; Accuracy of Correlation
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