功率型LED热阻测试仪的设计.doc

III 功率型LED热阻测试仪的设计摘 要热阻测试仪已成为功率型LED不可或缺的检测设备之一，随着功率型LED在照明领域的应用和普及，对热阻测试仪的需求也不断增加，研制开发准确、高效、低成本的热阻测试仪势在必行。LED的结温变化影响其光通量、颜色、主波长以及正向电压等光度、色度和电气参数。因此，开展功率型LED热阻测试影响因素研究，对热阻进行准确快速的测试就显得十分必要，可对功率LED进行有效的热管理。基于电学参数法原理，设计热阻测试仪方案，实现了热阻测试仪的整体功能和各个子功能的硬件搭建和控制软件编程，最终研制成功热阻测试仪。最后对所做研究成果进行了总结并对今后测试仪的改进和完善提出了自己一些看法和意见。关键词：功率型LED，热阻，电学参数法，热阻测试仪Design of Power-type LED Thermal Resistance TesterABSTRACTThermal resistance testing system has been one of the equipments that power-type LED (PTLED) indispensable. With the development and popularization of PTLED in solid state lighting application, the demand for thermal resistance tester is increasing. The change of LED junction temperature affects the luminous flux, color, forward voltage, dominant wavelength, brightness, etc. Therefore, quick and accurate measurement of PTLED thermal resistance and other thermal properties has becoming necessary for LED packaging and heat sink design.Based on the electrical test method, I design the project of thermal resistance tester, which can achieve the whole function and the sub-function of a single thermal resistance tester. Then build the hardware and the control program software, make out a monolithic thermal resistance tester. Finally I concluded the achievements I have done and expressed my opinion and vision on the improvement and modification of resistance tester in the future.KEY WORDS: power-type LED, thermal resistance, electrical test method, thermal resistance tester目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 LED光源的发展和趋势11.2.1 LED光源的发展状况11.2.2 LED光源的发展趋势21.3 概述22 功率型LED热参数与其测试技术32.1 LED发光原理32.2 功率型LED的结温和热阻32.2.1 功率型LED的结温42.2.2 功率型LED的热阻和测量方法62.3 测试原理的选择72.3.1 电学参数法的测试原理72.3.2 设计中各个参数的选取82.4 本文研究的主要内容93 功率型LED热阻测试仪的开发103.1 设计中硬件的选择和功能介绍103.1.1 单片机STC89C52103.1.2 ADC0809转换器123.1.3 LM324运算放大器133.2 热阻测试仪的设计思路133.3 热阻测试仪各个子功能介绍143.3.1 恒流源143.3.2 信号放大模块143.3.3 A/D转换器153.3.4 单片机153.3.5 数码显示管163.4 热阻测试仪的硬件搭建163.5 热阻测试仪的软件编程173.6 热阻测试仪的工作流程194 实验结果及分析204.1 实验结果204.2 误差分析214.3 实验小结225 毕业设计的讨论与总结235.1 系统的改进235.1.1 减小环境温度所产生的误差235.1.2 减小器件间热传导所产生的误差235.1.3 增加对K值校准的模块235.2 影响LED器件热阻值的探讨235.3 总结24致 谢25参考文献26附录2733 功率型LED热阻测试仪的设计 1 绪论1962年由GaAsP材料制作而成红色发光二极管(1ight emitting diode, LED) 问世。在其后40多年中，LED经历了GaAsP、GaAlAs和InGaAlP等多种材料的形式，虽然发光效率提高了近1000倍，但发光颜色长期局限于红色和黄绿色，主要应用在数码指示和半彩色显示领域。1993年，日亚公司的Nakamora首次成功地研制出氮化物LED，实现了蓝色半导体发光，进而于1996年实现了白光LED。白光LED具有寿命长、省电、反应速度快、环保无水银、体积小可平面封装等优点。目前功率LED是半导体照明的关键器件，代表着照明技术的新趋势，对功率LED研究应用引起越来越广泛的关注。1.1 课题研究背景与意义 LED被认为是21世纪最具前途的照明光源，大功率LED是半导体照明中的关键器件1。但是在大功率LED的输入功率中，只有20左右的能量转化为光能，其它的则转化为热能通过LED的热沉传导到外部环境。大功率LED散热性能的优良直接关系到LED的结温，进而影响LED的出光效率，发射波长，器件使用寿命，可靠性等。结温、热阻值是衡量大功率LED散热性能的关键参数。因此，准确高效的测量大功率LED的热阻值对LED封装企业设计大功率LED器件的封装结构和LED应用企业选用大功率LED器件提供有力的支持。1.2 LED光源的发展和趋势LED的发展历程也经历着上个世纪七十年代最早的红、黄、绿色地发光效率的初级阶段并开始应用于指示灯、数字和文字显示。由此LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各个部门和千家万户。到一九九六年LED在全世界范围广泛应用。尽管LED的颜色和发光效率受限制，但它的长寿命、高可靠、工作电流小等优点一直受到使用者的青睐。特别是在过去的十多年的时间里高亮度化、全色化一直是LED技术研究的前沿课题。1.2.1 LED光源的发展状况目前LED光源较其他光源有许多明显的优势：（1）发光效率高。LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提高。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50-70流明/瓦，钠灯90-140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经过改良后将达到50-200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。（2）耗电量少。LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。（3）使用寿命长。采用电子光场辐射发光，无灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。LED等体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和振动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯。（4）安全可靠性强。发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全触摸。能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。（5）有利于环保。LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵, 但是用一年时间的节能收回光源的投资, 从而获得4-9年中每年几倍的节能净收益期。1.2.2 LED光源的发展趋势LED的发展已为世人瞩目，特别是业内人士更加关心。有的是想寻找商机，有的想跟上研究脚步，有的想看看与现有正在搞的产业中的产品有没有落伍如此种种迹象表明了几乎我们每个同行人都在关注LED发展的每一步。我们可以看到2007年以后LED的发光效率将超过荧光灯，到2020年发光效率将是荧光灯的两倍以上：在2007年LED的寿命超过20kh，2012年将超过100kh：单颗LED的光通量在2020年将达到15001m；2020年单颗LED的输入功率将达到7.5W；流明价格和灯的价格将逐年下降；由于价格因素的制约当前照明市场上以荧光灯为主，到2020年照明市场将进入百灯争鸣的时代，我们期待那个时代的来临。1.3 概述本次毕业设计主要针对功率型LED的热阻参数进行测量，确定了以电学参数法为测试方法，主要运用了proteus、protel对电路进行仿真，用A/D转换器进行对采集到的模拟信号的转换，最终送入单片机进行数据处理并进行显示。测试仪主要分为两个恒流信号源、多级放大电路、A/D转换、单片机和数码管显示几部分，对被测的LED的热阻值进行尽可能精确的测试。并对测得数值进行误差分析和改进办法。2 功率型LED热参数与其测试技术半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。从目前发展来看，今后LED产业的发展前景是无法估量的，所以了解并学习半导体发光的相关知识是十分必要的。2.1 LED发光原理LED是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2-1所示2。图2-1 PN结发光原理假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。2.2 功率型LED的结温和热阻当今的大功率LED，特别是应用在家庭照明或马路灯光照明，由于其芯片面积和功耗不断增大，芯片产生的热量很高，LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过固相转变温度，封装材料会向橡胶状转变且热膨胀系数骤升，从而导致器件失效，因此芯片封装的热设计越来越成为设计考虑的首要问题之一。保持LED结温在允许的范围内，是大功率LED芯片制备、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点研究的关键因素，尤其是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题。2.2.1 功率型LED的结温大功率LED器件的结温是指器件内部PN结的温度。对于一个封装好的LED器件工作时内部的结温是不能直接测得的，只能采用间接的方法得到结温。（1）PN结结温对LED器件出光量的影响LED器件的结温越高光量越低，出光效率越低，如图2-2所示3。当结温升高时，蓝、绿和白光LED器件的出光量基本呈线性下降，即随着结温的升高，光通量越来越低。 图2-2 LED出光量与结温关系曲线（2）LED结温对器件峰值波长的影响图2-3(a)是四元系(A1InGaP)红光LED峰值波长与PN结结温的关系，当PN结结温升高时，红光LED的峰值波长线性增大。图2-3(b)是GaN基蓝光LED峰值波长与PN结结温的关系曲线。当PN结结温小于一定温度时，随PN结结温的升高峰值波长变短；当PN结结温高于一定温度时，随PN结结温的升高峰值波长又变长。对于目前商品化生产的白光LED(蓝光芯片+荧光粉)来说，如果蓝光波长发生改变，器件输出白光的色度和色温也将发生改变。因此，在商业应用中要使LED发出一个稳定和特定的波长值，必需保证器件长时问工作结温不变化。图2-3 峰值波长与LED结温关系（3）LED结温对器件寿命的影响图2-4是美国照明研究中心(Lighting Research Center)通过测试、概率统计得出的LED寿命与结温关系图3。图中的横坐标是器件结温，纵坐标是器件半衰期，单位是小时。从图中可知LED器件的寿命随着结温的升高而骤减，呈对数关系。因此，LED器件的PN结结温对LED器件的光通量、波长、色度、器件寿命都存在直接影响11。图2-4 LED结温与器件寿命关系2.2.2 功率型LED的热阻和测量方法热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比14,对于LED来说，热阻一般指从PN结到参考点的热阻，其中从PN结到器件内部热沉的热阻和PN结到环境的热阻是我们测试研究的重点。热阻单位是C/W或K/W。其计算公式为： （2-1）目前对半导体器件工作温度和热阻的测量方法有电学参数法、红外热像仪法、光谱法、光热阻扫描法及光功率法等。下面对各种方法原理进行简单介绍4：（1）电学参数法LED结温的测量，目前普遍采用的是电学参数法。在输入小电流恒定的情况下，LED的正向电压与其结温之间具有线性关系。利用这个关系，可以将LED的正向电压变化量转换为温度变化量。温度变化量除上器件处在加热时的耗散功率即可得到LED热阻。（2）红外热像仪法红外热像仪法是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统(目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统)接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。该方法只能测表面温度，无法测得封装好的芯片温度。（3）光谱法光谱法的原理是LED在工作状态下，辐射出不同频率的光，光谱线的辐射强度I与PN结辐射的频率(或波长)同PN结温度T之间存在关系。不同的PN结温度T对应着不同的辐射主频率和辐射强度I。对于某一种确定材料的LED，当LED工作时，测得某一主频率和对应的主辐射强度I，从而确定结温TJ。再根据公式，求出热阻。采用这种方法，设备结构复杂，成本高，准确性有待提高12。（4）光热阻扫描法光热阻扫描法与红外热像仪法的区别是采集过来的是可见光。光热阻扫描法是将LED产生的光通过光机扫描系统，光线被光敏元接收，转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示。（5）光功率法光功率法就是通过光纤测量LED在工作时所发出的光功率。将LED工作时的总功率减去光纤所测得的光功率，得到的就是LED的热损耗。结合LED的各个参数并应用公式算出LED的结温和热阻15。2.3 测试原理的选择基于电学参数法相对于其它几种技术而言，在测试理论及方法上比较成熟，对测试设备要求不是很高，设计和完成实物的操作可行性较好，同时大功率LED采用热电分离的封装方式，为大功率LED器件的热特性分析提供方便等等种种优势，我拟选用此方法设计热阻测试仪16。2.3.1 电学参数法的测试原理电学参数法的测试原理是对被测器件施加一定宽度的加热功率脉冲(恒流IH) ，使被测LED结发热,比较功率脉冲施加前后结温的变化量。假定测试前管芯温度与参考点温度相同,此时热阻： （2-2）由于在恒流偏置下，PN 结温度TJ与其正向电压VF基本呈线性相关,它们的比值K为器件的热敏温度系数(mV/ ) ,此温度系数基本为定值。因此热阻公式可改写为： （2-3）电学法热阻测试原理示意图5，如图2-5所示。图2-4 电特性法热阻测试原理示意图其中DUT为被测LED器件，IH和IM为两个大小不一的电流源，VF为电压测试系统。其测试过程如下，首先将转换开关置于“1”,给被测管DUT注入恒流IM，测得其正向电压VF0,开关切换至“2”,给被测管DUT注入恒流IH,使其结温升高,一定时间后,开关再次切换至“1”,在IM偏置下测得DUT正向电压VF2。由于LED的输入电功率转换成光和热两种形式,其中热功率部分引起结温升高。因而热阻公式中加热功率为： （2-4）式中:UH为施加加热电流IH时LED上的正向偏压。将（2-4）带入（2-3）得最终热阻公式： （2-5）式中: VF为加功率前后IM偏置下的正向电压变化量; K为器件的热敏温度系数,单位mV/ ;IH为加热电流;UH为加热电流IH下的正向电压,即功率电压17。 图2-5 测量信号时序图2.3.2 设计中各个参数的选取（1）测试电流IM的选取测试电流IM的选择非常关键18。通过二极管的测试电流IM必须足够大以得到稳定的正向压降电压值，同时必须足够小不至于产生显著的热量。通常IM取在100uA5mA之间且与二极管的尺寸大小有关。更低的电流IM也能被使用，但是为了更容易得到测量值和减少可能的表面漏电压影响，电流很少选用低于100uA，通常采用1mA。对于IM值的上限取决于器件自发热影响，器件的几何尺寸往往是关键，在10mA基准电流下测得的数据：是最接近线性。这种情况在肖特基二极管、LED中是非常普遍的。如果基准电流足够小也能在大多数半导体器件中发现。通常，进行校准时结点越大测试电流也应越高。对于大功率LED器件，基准电流而通常取在150mA。（2）温度灵敏系数K的设定温度灵敏系数K很大程度上取决于LED器件的材料和封装工艺，因此在设计热阻测试仪的软件变成部分时，应先对待测的LED器件进行材料识别，查阅相关材料的功率LED的温度灵敏系数K，之后编入单片机程序里面进行热阻的计算。（3）加热电流IH的选取加热电流IH的作用就是为待测LED加热到一定温度6，所以选取范围应该在100mA350mA之间，太小待测LED器件温度不够从而热阻值测试不准确，太大易烧坏LED器件。2.4 本文研究的主要内容随着大功率LED的发展越来越快13，应用越来越广泛，作为大功率LED瓶颈的结温和热阻越来越受到重视和研究。本文的研究对象是大功率LED的热阻，围绕着大功率LED的结温和热阻的特性、测试方法进行论述，目的是针对LED材料改进和封装应用需求，研究测试速度快、精确度高、重复性好、性价比高的热阻测试仪器，并在热阻测试方法及测试技术规范方面形成体系。本文的研究内容和所做的工作主要有以下几个方面：（1）基于电学参数法测量功率LED结温和热阻的基本原理和方法，研制开发功率LED热阻测试仪，满足工业界对LED热阻仪低成本、测试时间短、操作简单、重复性好的要求；（2）对所研制的热阻测试仪进行重复性测试，以及与商用仪器的对比验证证明测试数据可靠性；（3）对测量出的数据进行分析，对热阻测试仪的性能进行评价，提出减少仪器测量误差的方法。3 功率型LED热阻测试仪的开发目前国内外对LED热阻的测试技术已经开始重视，对LED的热参数已开展了系统的研究。其中匈牙利MicRed公司T3ster,TeraLED热阻测试系统用于测试IC、LED、散热器、热管等电子器件的热特性。T3Ster运用先进的JEDEC静态试验方法（JESD51-1），通过改变电子器件的输入功率，使得器件产生温度变化，在变化过程中，T3Ster 测试出芯片的瞬态温度响应曲线，仅在几分钟之内即可分析得到关于该电子器件的全面的热特性。这种大型的热测试仪测试的数值相当准确，但是造价却十分昂贵，本文着重介绍了一个操作、结构相对简单，且造价便宜的热阻测试仪。3.1 设计中硬件的选择和功能介绍3.1.1 单片机STC89C52STC89C52是美国STC公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取存储器(RAM)，器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8为中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合7。如图3-1所示。 图3-1 STC89C52引脚图（1）功能特性概述：k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，但允许RAM、定时器/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电保护方式下；RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。（2）外部特性（引脚功能）VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在Flash编程时，P0 口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在Flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在Flash编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 ADC0809转换器由于本设计需要同时采集3组共6个信号，每次采集需同时输入1组信号，所以需要一个多通道的A/D转换器，故选择ADC0809为本设计的A/D转换器。ADC08098是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。如图3-2所示。图3-2 ADC0809内部结构和引脚图（1）主要特性（a）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 （b）具有转换起停控制端。 （c）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） （d）单个+5V电源供电 （e）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 （f）工作温度范围为-40+85摄氏度 （g）低功耗，约15mW。（2）内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。（3）外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3-2所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 D1D8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。3.1.3 LM324运算放大器LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。3.2 热阻测试仪的设计思路本文的设计思路是将热阻测试仪分为5部分，分别为恒流源部分、信号放大部分、A/D转换部分、单片机控制中心和显示部分。其主要测试原理如图3-3所示。测试电流和加热电流待测的功率LED经处理的几个模拟信号ADC0809 A/D转换器STC89C52单片机数码管显示 图3-3 测试原理图 3.3 热阻测试仪各个子功能介绍热阻测试仪是由恒流源、放大器、A/D转换、单片机和数码显示管几部分组成，下面将逐一介绍各个子功能的结构和功能。3.3.1 恒流源恒流源电路主要是由输入级和输出级构成9，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。被测LED器件提供基准电流如5mA和加热电流如100mA。 图3-4 恒流源结构示意图 图3-4是用BJT构成的一种基本恒流源电路。其中T2是输出恒定电流的晶体管，晶体管T1就是一个给T2提供稳定基极电压的发射结二极管。如果采用两个基极相连接的n-p-n晶体管来构成恒流源的话，那么在IC芯片中这两个晶体管可以放置在同一个隔离区内，这将有利于减小芯片面积，但是为了获得较好的输出电流恒定的性能，即需要特别注意增大横向n-p-n晶体管的电流放大系数。3.3.2 信号放大模块放大电路主要作用就是对需要测得的信号进行放大处理，放大至A/D转换器可以工作的区间。本文采用了运算放大器LM324对信号进行放大，放大倍数为4倍，具体情况如图3-5所示。图3-5 放大电路示意图 本文中会用到两组上图所示的系统，输出地信号分别送至A/D转换器的IN0和IN1口处理10。3.3.3 A/D转换器本文通过运用ADC0809对两组信号进行A/D转换，并送入单片机进行数据处理最终送显。在启动ADC0809时，需要单片机送入一个低电平、高电平、低电平的信号，然后AD开始转换8。对ADC0809的硬件搭建如图3-6所示。 图3-6 ADC0809的硬件搭建3.3.4 单片机STC89C52单片机的结构功能在本文的3.1.1已经作了介绍，此处不多做赘述。本节主要阐述STC89C52在此次设计中如何应用9。硬件的搭建见下图3-7。图3-7 STC89C52的搭建 由RST、XTAL1、XTAL2、VCC、GND组成了单片机的最小系统，另外P1.0-P1.3控制数码管的四位数显示，P2口控制数码管的显示，P1.4控制A/D转化器选择哪路信号进行转化，P0口接收从A/D转化器送来的数字信号，P1.5口通过读取单刀双掷开关的高低电平来控制A/D转换器选取信号进行处理。3.3.5 数码显示管选用四位共阳极数码管对最终数据进行显示，采用共集电极接法9，具体设计见图3-8。图3-8 数码管设计图3.4 热阻测试仪的硬件搭建功率型LED热阻测试仪的硬件由恒流源、放大器、A/D转换器、单片机和数码管五部分组成。单刀双掷开关控制着选择何种恒流源通过待测LED和单片机对A/D转换器的操作。电路总图如图3-9、图3-10。图3-9 单片机、A/D转换和数码管图3-10 恒流源、待测LED和放大器硬件的总搭建方法如图3-9与图3-10，具体情况如下：单片机的6口与单刀双掷开关相连，中间加保护电阻4.7K，5口、10口、11口、12口、13口分别接接A/D转换的25口、6口和22口、9口、7口、10口，P0口输入接收A/D的D0-D7信号并接上拉电阻2K8，31口接VCC和保护电阻10K，21-28口接数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp。A/D转换器的26、27口接收放大器的两个信号。数码管的S1、S2、S3、S4接三极管S8050的发射极，S8050的集电极接470保护电阻后接VCC，基极接10K电阻后接单片机的1、2、3、4口。恒流源用S8050来实现，VCC接一个电位器后连入S8050搭建的恒流源，调整电位器大小可以实现可调式恒流源。两组放大电路模块分别放大待测LED的左右两端信号，后右端接一个5电阻后接地19。3.5 热阻测试仪的软件编程功率型LED热阻测试仪软件编程的思路是根据本文前面阐述的热阻测试方法，主要对LED的3组数据进行测量和处理：1.在IM下功率LED左右两端的信号A1和B1；2.在IH下功率LED左右两端的信号A2和B2；3.在返回IM再次测出LED左右两端的信号。通过这三组数据可计算出最终需要的LED的热阻值。由于需要测出3组共6个信号，故共需三次使用A/D转换，三次使用单片机控制A/D选择信号先后进行转换，具体软件编译流程如下图3-11。 定义各引脚和需要的参量；显示子程序；显示子程序；确定时钟信号；倒计时程序主函数SW=0 读取A2 B2读取A1 B1Y N Flag=1SW=0 N Y数据处理读取A3 B3 图3-11 软件编译流程图通过proteus进行仿真，搭建简易的电路图对程序进行测试，简易电路图如图3-12所示。 图3-12 proteuse仿真电路图具体的软件编程见附录。3.6 热阻测试仪的工作流程恒流源分别送入5mA和100mA电流，单刀双掷开关控制选择何种电流输入。开始让小电流输入通过放大器放大出两个信号并通过A/D送入单片机20，记为A1、B1。然后单片机通过识别与单刀双掷开关连接的引脚6的电平变换，即开关选择大电流输入信号，测出在大电流IH下的信号A2、B2。最后开关再次选择输入小电流IM，得出最后一组数据A3、B3。运用这得出的三组数据运算可得出最终的热阻值，将其带入（2-5）得出热阻值的计算方法：RJX=KB1-A1-B3-A352564B2-A245256A2455256 （3-1）其中VF为在施加IH前后在测试电流IM下的电压变化量，A/D转换器将5V电压分成了256个小份，而放大器又将信号放大了4倍，所以真正的VF应该是在IH前后功率LED两端电压差（B1A1）（B3A3）再除以放大了的4倍乘以将5V电压分成的256小块。耗散功率P为UH与IH乘积，同理UH为（B2A2）再除以放大了的4倍乘以将5V电压分成的256小块。IH为UH再除以加在待测LED后面的5电阻。 数码管显示RJX热阻值加热电流IH测试电流IM单片机STC89C52单刀双掷开关被测LED器件A1A2A3B1B2B3A/D转换器放大器模块 图3-13 测试总流程图图3-13为测试的总流程图。以单片机为中心，控制AD转换、测量、计算并最终送显。4 实验结果及分析4.1 实验结果ADC0809的AD转换为8位，在软件中定义了最高基准电压为5V，故A/D转换器采集到的最小电压=5V/28=5V/256。恒流源的电流值通过采集采样电阻上的电压值再除以电阻值得到电流值。采样电阻的阻值为5，当采集到的电压值为0.1mV时，对应的电流值为0.02mA。设定的K值为0.765。下表为样品1的测试结果与美国AnalysisTech热阻仪的数据对比分析： 表4-1 样品1的测试对比测试仪器温度灵敏系数K热阻RJX功率型LED热阻测试仪0.76545.1AnalysisTech phase110.784442.3换一个功率LED用热阻测试仪再次进行测试，下表为样品2的测试结果与美国AnalysisTech热阻仪的数据对比分析：表4-2 样品2的测试对比测试仪器温度灵敏系数K热阻RJX功率型LED热阻测试仪0.76546.3AnalysisTech phase110.784442.3由上面两个样品的数据和美国AnalysisTech热阻仪测试的数据对比来看，测试结果在一个数量集上。因此，该热阻测试仪可以用来衡量不同封装形式、不同材料、不同功率的LED热阻值。以0.05的刻度加减温度灵敏系数K值，用该测试仪对一个样品进行多次测量，测10组热阻值数据，得到如下表4-3数据。其中标准偏差的公式为： （4-1）重复性误差的公式为： (4-2)表4-3 热阻测试仪的重复性测量数据测试编号温度灵敏系数K热阻RJX10.78545.620.78046.230.77547.340.77044.650.76546.760.76045.170.75548.680.75042.490.74546.4100.74043.2标准偏差0.01040.633平均值0.762545.61重复性误差1.36%1.39%美国AnalysisTech热阻仪测试仪测得的热阻值重复性误差为1.39%。经对比得出结论，该热阻测试仪基本能完成重复性操作。4.2 误差分析本文设计的热阻测试仪相交专业的热参数测试仪结构简单，缺少了温度灵敏系数K的测试部分，该测试部分主要作用就是针对测试的功率LED进行K值的校准，测出属于该功率LED的K值。本设计是通过查阅资料直接赋予相应的K值，由于每个功率LED的温度灵敏系数K都存在差异，故此处直接赋值便会对测试结果产生误差。除了缺少温度灵敏系数K的测试部分外，还缺少一个恒温装置，恒温装置的作用就是将功率LED圈在一个可变恒温的环境中，在测试功能过程中能极大地减少外界温度和散热所产生的误差。本设计直接将功率LED暴露在空气中，空气的冷却作用使测试结果产生误差。本设计还缺少一个恒温夹具系统，恒温夹具系统的作用是将功率LED固定在一个恒温装置上，不会因为温度差异而产生热传递。本设计是直接将功率LED焊接在了电路板上，不仅产生了热传递，测试出的数据还包括了焊锡和电路板的热阻。除了这些设计中不可避免的误差外，还存在单片机和A/D转换器的仪器误差，仪器内部所产生的测试误差热阻测试仪多次使用产生内部变化或老化等，都是产生误差的原因。4.3 实验小结 通过对测出的数据和标准数据进行对比，并对误差进行分析，可以得出结论：本设计的设计理念基本正确，硬件的搭建和软件的编程也正确工作，测量流程能够完成测量任务，设计出的热阻测试仪可以实现对不同材料不同功率的LED的热阻进行大概的测量，与专业的热学参数测试仪测量的数值在一个数量级上并且误差范围小于10%。5 毕业设计的讨论与总结本设计的热阻测试仪能基本完成对功率LED的热阻参数测量，但还存在许多不足之处：对环境温度所产生的干扰无可奈何，对温度灵敏系数K无法校准，对器件间的热传导和热接触所产生的误差无法消除等等，都是我可以改进的地方。5.1 系统的改进本文设计的热阻测试仪可以有许多地方可以发散思维和系统改良，并可以减少误差值，并优化测试方法和测试性能。5.1.1 减小环境温度所产生的误差 针对减小环境温度所产生的误差值，可以考虑添加一个恒温炉，通过一个温度计对恒温炉内部环境进行测试和修正，被测LED器件放在恒温炉内进行热阻测试。这样对内部LED的电学参数和温度变化量可以很好的减小环境所产生的误差。5.1.2 减小器件间热传导所产生的误差 针对减小环境温度所产生的误差值，可以通过添加恒温夹具模块，使恒温夹具尽量和被测LED器件温度一致而减小热传递效果，通过对被测LED的夹装放入恒温炉内测量，而不是焊接在电路板上。因为恒温夹具和被测LED器件间没有任何杂质接触，这样可以有效的减小热传导所产生的误差。5.1.3 增加对K值校准的模块测试K值需要一个温度模块电路，用来测量在VF变化量时，温度的变化量T。因为在输入小电流情况下VF与T间有很好的线性关系，两者之比即为K值。5.2 影响LED器件热阻值的探讨选择优良的热沉材料对于减小LED器件热阻值有明显的效果。表5-1为在不同热沉下测得的参数。表5-1 不同热沉下测得的各个参数热沉材料K参数VFPHT基板热阻空气热阻Al0.605568.76mV1.105W41.6326.2737.67Al2O30.607856.74 mV1.207W34.497.8928.56AlN0.606930.06mV1.140W18.244.1416基板热阻为LED器件PN结到器件基板底部的热阻；空气热阻为LED器件PN结到空气的热阻。由表5-1可知，以AlN做为热沉的LED器件热阻值最小，