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。
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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