脉冲驱动LED测试技术研究

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 3.21MB 73 页 15积分
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i
摘 要
半导体照明器件（LED）以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点，
有望在未来 5-10 年逐步取代传统的白炽灯、荧光灯，成为新一代照明光源。
LED 常用的驱动方式有线性驱动、开关驱动和调光驱动三类。调光驱动又分
为脉宽调制（PWM）、频率调制及位角调制三种。其中 PWM 驱动能实现 LED 调
光不调色的目的，在液晶面板和汽车仪表板背光等领域有极广的应用价值。然而
目前，尽管国内外不少研究机构和企业都已研制出了具有较高精度的 LED 光电检
测设备，但对于用不同驱动方式驱动的同一器件是否存在性能上的差异，还缺少
有效的测量评估手段。
本课题围绕 PWM 驱动 LED 的光、电参数测量问题展开。
首先，通过与常规恒流驱动 LED 的光电参数测量方法作比较，找出 PWM 波
形与恒流波形的异同，综合考虑 LED 器件 PN 结的物理特性，提出 PWM 驱动 LED
的瞬时光通量、光效等概念，形成一套适合于 PWM 驱动形式的 LED 光电参数测
量方法。
其次，根据研究需要，在现有 LED 光通量测试设备基础上增加可响应 PWM
脉冲峰值信号的采集模块，将采集到的峰值信号与恒流信号作对比达到测量目的。
系统采用光电二极管作为光电转换器，通过 C8051F 单片机实现数据采集功能，采
用RS232 串口通信，并用 Matlab 设计了 GUI 界面，将采集数据在计算机上显示。
再次，按照测量系统分析（Measurement System Analysis—MSA）的要求，对
设计的采集模块进行重复性、再现性、偏倚、线性、稳定性的性能评定，给出各
项的测量不确定度和合成不确定度。
最后，利用采集模块测试了 PWM 脉冲驱动 LED 的光、电性能，并与恒流驱
动LED 的相应测试结果作比较，分析了产生差异的原因，提出了系统的改进方案
和待完善之处。
关键词：PWM 脉冲驱动 瞬时光通量测量 瞬时光效 误差分析 不确
定度
ii
ABSTRACT
Light Emitting Diode (LED) will become a new generation of light source, which
can gradually replace traditional incandescent lamp and fluorescent lamp in the near
5-10 years, for its high efficiency, low power consumption, environmental protection,
long life and high reliability, etc.
Linear, switch and dimming drive are three most commonly used drive forms for
LED and dimming drive can also be divided into pulse-width modulation, frequency
modulation and angular modulation. PWM drive has widely been used in crystal TV
and car dashboard background fields because it’s the only drive form that can adjust
LEDs’ light intensity without changing its color. But nowadays, although many
enterprises and institutes all over the world have developed some kinds of high accuracy
photoelectrical test instruments, we still lack of effective evaluation method that can tell
whether different drive forms will cause different performance or not.
The photoelectrical parameters test problems for PWM driven LED are mainly
discussed in this paper.
Firstly, after comparing continuous current drive waveform with PWM waveform,
considering physical characteristics for PN junction, the instantaneous flux,
instantaneous light efficiency for PWM driven LED are defined, and a photoelectrical
test method is also put forward.
Second, an additional test module which can response for pulse peak signal is
designed on the bases of traditional LED flux test system. Silicon photodiode is used as
the converter, C8051F micro-chip accomplishes data acquisition task, data is send
through RS232 serial interface and test results are shown on PC screen with Matlab
programming.
Thirdly，according to the requirements of Measurement System Analysis (MSA),
repeatability, reproducibility, bias, linearity, stability and their uncertainty are evaluated
respectively, and the union uncertainty is calculated.
Finally, the designed module is used to do some tests for PWM driven devices.
Compared with those of continuous current devices, the causes for different results are
analyzed then system improvements are mentioned.
Key Words: PWM Pulse Driving, Instantaneous Flux, Instantaneous
Light Efficiency, Error Analysis, Uncertainty
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ................................................................................................................. 1
§1.1 LED 发展史及产业链简述 .........................................................................1
§1.1.1 LED 发展概述 ......................................................................................1
§1.1.2 LED 产业链简述 ..................................................................................2
§1.2 LED 主要应用 .............................................................................................3
§1.2.1 LED 主要应用领域 ..............................................................................4
§1.2.2 LED 常用驱动方式 ..............................................................................4
§1.3 LED 测量领域现状 .....................................................................................6
§1.3.1 国内外 LED 测试标准 .........................................................................7
§1.3.2 LED 常用光电测量设备 ......................................................................8
§1.3.3 测量规范的不完善 ...............................................................................8
§1.4 课题意义及主要研究内容 ..........................................................................8
§1.4.1 课题意义 ...............................................................................................8
§1.4.2 主要研究内容 .......................................................................................8
第二章 LED 测量方法研究 .......................................................................................... 10
§2.1 恒流驱动下的稳态参数测量 ....................................................................10
§2.1.1 稳态参数定义 .....................................................................................10
§2.1.2 稳态参数测量原理及方法 .................................................................13
§2.2 脉冲驱动下的瞬态参数测量 ....................................................................15
§2.2.1 瞬态参数概念的提出 .........................................................................16
§2.2.2 瞬态参数测量方法 .............................................................................17
第三章 瞬时光电参数采集处理系统硬件部分 ........................................................... 21
§3.1 瞬时光电参数采集处理系统整体结构设计 ............................................21
§3.2 信号采集部分 ............................................................................................22
§3.2.1 光电器件的选取[33] ............................................................................ 22
§3.2.2 光电转换电路 .....................................................................................26
§3.3 信号转换部分 ............................................................................................26
§3.3.1 模数转换及其驱动电路 .....................................................................26
§3.3.2 数据存储 .............................................................................................27
II
§3.3.3 通用串行接口 .....................................................................................28
§3.3.4 电平转换 .............................................................................................31
第四章 瞬时光电参数采集处理系统软件部分 ........................................................... 32
§4.1 单片机软件 ................................................................................................32
§4.1.1 AD 启动转换 ......................................................................................33
§4.1.2 DMA 数据存储 .................................................................................. 34
§4.1.3 串口数据收发控制 .............................................................................35
§4.2 PC 机软件 ..................................................................................................35
§4.2.1 串口设置 .............................................................................................37
§4.2.2 中断处理程序 .....................................................................................38
§4.2.3 图形用户界面设计 .............................................................................40
第五章 实验及结果分析 ............................................................................................... 43
§5.1 测试系统重复性评定 ................................................................................43
§5.1.1 评定方案确立 .....................................................................................43
§5.1.2 实验数据分析 .....................................................................................45
§5.1.3 评定结果 .............................................................................................49
§5.2 测试系统再现性评定 ................................................................................49
§5.2.1 评定方案确立 .....................................................................................49
§5.2.2 实验数据分析 .....................................................................................51
§5.3 测试系统其它特性 ....................................................................................52
§5.3.1 测试系统的偏倚 .................................................................................52
§5.3.2 测试系统的线性 .................................................................................52
§5.3.3 测试系统的稳定性 .............................................................................53
§5.4 测量不确定度评定 ....................................................................................53
§5.4.1 重复性引起的不确定度评定 .............................................................53
§5.4.2 再现性引起的不确定度评定 .............................................................54
§5.4.3 偏倚引起的不确定度评定 .................................................................54
§5.4.4 线性引起的不确定度评定 .................................................................54
§5.4.5 稳定性引起的不确定度评定 .............................................................54
§5.4.6 合成不确定度 .....................................................................................54
§5.5 PWM 脉冲驱动 LED 光电参数测试及讨论 ........................................... 54
§5.5.1 直流基准获得 .....................................................................................55
§5.5.2 采集系统近场吸收的修正 .................................................................57
III
§5.5.3 PWM 脉冲驱动 LED 的光电参数测量 ............................................ 58
§5.5.4 测量结果总结与讨论 .........................................................................61
第六章 总结与展望 ....................................................................................................... 63
§6.1 总结 ............................................................................................................63
§6.1.1 测试方法 .............................................................................................63
§6.1.2 测量准确性 .........................................................................................64
§6.1.3 LED 器件的光电特性与温度的关系 ................................................64
§6.2 展望 ............................................................................................................64
§6.2.1 测试方法 .............................................................................................64
§6.2.2 测量准确性 .........................................................................................65
参考文献 .........................................................................................................................66
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................69
致 谢 ........................................................................................................................... 70
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
远古时代，除了利用自然光外，人们钻木取火，掀开了人类照明领域的第一
次革命；
1879 年，爱迪生发明的白炽灯被公认为照明领域的第二次革命，百余年来，
尽管白炽灯在大范围空间照明上还无法满足人类的需求，但这一发明一直在人类
科学史上占有重要地位；
上世纪五十年代，与传统白炽灯相比具有更长使用寿命、更高发光效率和更
大光照面积的荧光灯，在全世界的夜间室内照明起着不可替代的作用，成为照明
领域的第三次革命；
虽然荧光灯有诸多优点，但它也存在能耗大，灯管中的汞会污染环境等问题，
因此，寻求新的照明光源一直是科学家和企业界的任务。20 世纪后期开始发展的
发光二极管（Light Emitting Diode，简称 LED）给未来照明带来曙光。LED 具有
寿命长、耗能低、可靠性高、耐机械冲击、色彩鲜艳、无辐射、无污染等诸多优
点，控制方便，应用灵活。被称之为 LED 的半导体照明，无疑将引领人类照明领
域的第四次革命[1]。
§1.1 LED 发展史及产业链简述
§1.1.1 LED 发展概述[2][3][5]
1907 年，英国科学家 Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致
发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用。
1936 年，
George Destiau 出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流
的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。二十世纪 50 年代，英
国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓，发明了第一个具有现代意义的
LED，并于 60 年代面世。
1965 年全球第一款商用化发光二极管诞生。当时所用的材料是 GaAsP，应用
半导体 PN 结发光原理制成。发红光（λp=650nm），在驱动电流为 20 毫安时，光
通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约 0.1 流明/瓦。
1968 年LED 效率达到 1流明/瓦，发出红橙黄光。
1971 业界推出相同效率的 GaP 绿色裸片 LED，引入元素 In 和N，使 LED 产
生绿光（λp =555nm）、黄光（λp =590nm）和橙光（λp =610nm），光效也到 1流明
/瓦。
80 年代早期开发出了 GaAIAs，使红光效率达到 10 流明/瓦。
脉冲驱动 LED 测试技术研究
2
90 年代中期实现了第一个基于 GaN 的实用 LED，发红光、黄光的 GaAIInP
和发绿、蓝光的 GaInN 两种新材料开发成功。
1992 年首次开发出蓝光 LED：进入 20 世纪 90 年代，随着氮化物 LED 的发明，
LED 的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在 1992 年由日本
著名 LED 企业日亚化学的中村修二发明。这样整个可见光领域的单色 LED 已经完
整，能够满足各种单色发光的应用场所。
1996 年首次开发出白光 LED：日亚公司在 1996 年首次推出白光 LED，当时
只有 5流明每瓦发光效率。
2000 年基于 GaN 的LED 光效提高：2000 年GaAIInP 做成 LED 在红、橙区
（λp=615nm）的光效达到 100 流明/瓦，GaInN 做成的 LED 在绿色区域（λp=530nm）
的光效达到 50 流明/瓦
2003 年7月国家半导体照明工程启动实施：在社会对 LED 需求的刺激下，科
学家和商家们攻克了一系列半导体照明光源产业化所需关键技术，GaN 外延片、
白光 LED 器件、蓝光激光器以及 GaN 基础材料与装备方面取得了显著进展，氮化
物蓝光 LED 产业化关键技术、大功率、高效率 LED 芯片、白光 LED 封装技术和
荧光粉技术等成果实现了转化和产业化。半导体照明由于技术的先进性和产品使
用的广泛性，已经被广泛认为是最有发展潜力的高技术领域之一。半导体照明产
业具有明显的节能和环保的效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。
2006 年初，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，“高效节
能、长寿命的半导体照明产品”被列入中长期规划第一重点领域（能源）的第一
优先主题（工业节能），在国内外引起广泛关注。2006 年10 月，国家“十一五”
863 计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。我国半导体照明产业正在进入自
主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇期。
§1.1.2 LED 产业链简述[4]
首先先介绍 LED 的内部结构，目前常见的大功率 LED 结构如图 1- 1 所示，
芯片附着于金属反射杯中，芯片正极通过球形接触点与金丝键合为内引线与一条
管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶端用环氧树脂封
装。LED 通过两只引脚安装于 PCB 板上。为增强散热效果，可在 PCB 板上安装
热沉。
由此，从其组成结构可将整个产业链分为上游的原材料、设备及外延生长，
即晶圆制备；中游的芯片制造，下游的 LED 封装和应用产品的生产四个主要环节，
如图 1- 2 所示。
第一章 绪论
3
图1- 1 LED 内部结构
图1- 2 半导体照明产业链结构图
LED 上中下游的产业特点分别为：
（1）上游环节（外延生长）产业
外延生长是半导体照明产业链中技术含量最高、对最终产品品质影响最大
的环节，同时也是利润较为集中的环节。
在一定程度上，外延的品质直接决定了后续芯片、封装及应用产品的品质
和最终应用领域。
MOCVD 系统是 GaN 基LED 外延生长的主要设备，技术含量非常高，全球
90%以上的市场被德国的 AIXTRON 和美国的 VEECO 所垄断。
（2）中游环节（芯片制备）产业
中上游是资金和技术密集型行业，也是投资强度大但收效慢的领域。
芯片的品质主要取决于外延的质量，而高质量的外延片很难在市场上获得，
因此大多数芯片制造商都有外延生长能力。
外延/芯片的产业集中度较高，主要分布在日本、美国、我国台湾等地。国
内相关产业发展迅速。
检验部分具有劳动力密集性特征，需大量人员利用显微镜检验芯片。
外延/芯片生产环节是专利竞争最激烈的环节。
（3）下游环节（LED 封装）产业
LED 封装和应用环节技术含量相对较低，是投资强度较低及收效较快的领
域。
LED 的封装产品主要包括 Lamp、SMD、数字显示、点矩阵型等封装结构。
白光 LED 是半导体照明的基础和产业发展重点，也是近几年发展最快的
LED 领域。
下游是与市场应用联系最为紧密的环节，也是 LED 产业中规模最大并且发
展最快的领域。
LED 封装企业主要集中在我国台湾、日本、韩国、中国大陆以及东南亚等
国家和地区，台湾产业有向大陆转移的倾向。
§1.2 LED 主要应用
基础半导体工业的迅猛发展，带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改
反射杯
芯片制备
封装
应用产品
白光照明
显示
汽车灯
交通
背景光源
装饰
其他
衬底材料
GaAs
蓝宝石
SiC
Si
源
高纯氮/氨
三甲基镓
二乙基铟
快速结果
检验及对
MOCVD生长
的反馈
在线芯
片测试
（ 光 学 /
波 长 / 亮
度 / 电 学
/电压）
检测
目检
光学：波长、亮度、
光谱角度、发光角
度、倾斜度
电学：正向
电压：反向电流
组装
电路板及电
子元件
机械件
光学件
结构设计
外延片生长
MOCVD
外延片
生长
光学
电学
测 试
表面
摘要：

i摘要半导体照明器件（LED）以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点，有望在未来5-10年逐步取代传统的白炽灯、荧光灯，成为新一代照明光源。LED常用的驱动方式有线性驱动、开关驱动和调光驱动三类。调光驱动又分为脉宽调制（PWM）、频率调制及位角调制三种。其中PWM驱动能实现LED调光不调色的目的，在液晶面板和汽车仪表板背光等领域有极广的应用价值。然而目前，尽管国内外不少研究机构和企业都已研制出了具有较高精度的LED光电检测设备，但对于用不同驱动方式驱动的同一器件是否存在性能上的差异，还缺少有效的测量评估手段。本课题围绕PWM驱动LED的光、电参数测量问题展开。首先，通过与常规恒流驱动LE...

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