目录
1 前言（绪论） (2)
2 总体方案设计 (3)
2.1方案比较4
2.1.1方案一：长期寿命测试 (4)
2.1.2方案二：加速（短期）寿命测试 (4)
2.2方案论证4
3 单元模块设计 (5)
3.1各单元模块功能介绍及电路设计5
3.1.1热阻( Rθ ) 的测量 (5)
3.1.2结温测量 (6)
3.1.3光通量的测量 (7)
3.1.4串口电路的设计 (8)
3.1.5温度控制和报警电路设计 (9)
3.1.6 过零触发电路设计 (9)
3.2电路参数的计算及元器件10
3.2.1 LED灯常用电路参数 (10)
3.2.2电学特性 (10)
3.3特殊器件的介绍13
3.3.1 ADM3251E (13)
3.3.2 ADUC848 (14)
3.3.3 555芯片 (15)
3.4各单元模块的联接17
4 软件设计 (18)
4.1 PROTEL99 SE简介18
4.2软件设计结构及功能18
5 系统调试 (19)
6 系统功能及指标参数 (20)
6.1说明系统能实现的功能20
6.2系统指标参数测试及测试方法说明20
6.2.1失效时间和失效数的确定 (20)
6.2.2 数据处理方法 (22)
6.3系统功能及指标参数分析22
7 结论 (23)
8 总结与体会 (24)
9 参考文献 (25)
附录1：相关设计图 (26)
附录2：元器件清单表 (27)
附录3：相关设计软件 (28)
1 前言（绪论）
1986 年，在蓝宝石基底上沉积高品质GaN 晶体获得成功，并且在1993 年开发出了高亮度蓝光发光二极管( LEDs) 。至今，人们仍在对高亮度蓝光 LED 进行不断地完善。在 1996 年，开发出了采用蓝光 LED 与黄色荧光粉相结合发出白光的 LED 产品并将其商业化[1]。21 世纪照明 METI 国家(Akari) 项目是一项基于高效率白光 LED 照明技术的工程，它利用的是近紫外线 LED 与荧光粉系统相结合的方法，该项目于1998 年启动，其第一阶段的项目已于 2004 年完成。
作为电子元器件，发光二极管（Light Emitting Diode-LED）已出现40多年，但长久以来，受到发光效率和亮度的限制，仅为指示灯所采用，直到上世纪末突破了技术瓶颈，生产出高亮度高效率的LED和兰光LED，使其应用围扩展到信号灯、城市夜景工程、全彩屏等，提供了作为照明光源的可能性。随着LED应用围的加大，提高LED可靠性具有更加重要的意义。LED具有高可靠性和长寿命的优点，在实际生产研发过程中，需要通过寿命试验对LED芯片的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高LED芯片的可靠性水平，以保证LED芯片质量，为此我司在实现全色系LED产业化的同时，开发了LED芯片寿命试验的条件、方法、手段和装置等，以提高寿命试验的科学性和结果的准确性。
近些年来，LED 照明因具有许多优点，例如长寿命、低能耗、体积小等而非常有吸引力。最早 LED 只是被用来替换小型白炽灯充当指示器。在其光效有所提高后，LED 被应用于显示器中。随着其光效和总光通量的进一步改善，LED 开始被应用于日常照明领域。对于普通照明设备而言, LED 有限的光通量是一个难以解决的问题。要想获得高光通量就需要有高密度基底和大的工作电流。这将导致LED 产生热量、温度升高, 损坏LED 模块。
随着LED生产技术水平的提高，产品的寿命和可靠性大为改观，LED的理论寿命为10万小时，如果仍采用常规的正常额定应力下的寿命试验，很难对产品的寿命和可靠性做出较为客观的评价，而我们试验的主要目的是，通过寿命试验掌握LED芯片光输出衰减状况，进而推断其寿命。
本设计介绍了LED芯片寿命试验过程，提出了寿命试验条件，完善的试验方案，消除可能影响寿命试验结果准确性的因素，保证了寿命试验结果的客观性和准确性。采用科学的试验线路和连接方式，使寿命试验台不但操作简便、安全，而且试验容量大。
2 总体方案设计
LED 的发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见，LED 主要靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达5 - 10万个小时。
LED 的寿命主要取决于 LED 芯片的质量、芯片的设计和芯片的材料。直接影响 LED 寿命的关键因素有两个：一是驱动电流的变化——达到某个阈值以后，启动 LED 的电流越高，发光发热就越多；二是工作环境温度——温度越高，出光就越少。此外，LED 灯具的安装及固定方式对其寿命也有很大的影响。
LED 芯片对温度异常敏感，这也是半导体的共性。一般用 LED 照明光源光通量流明值下降到初始值的50%的时间来定义其寿命。50%就是LED的半衰期，例如，φ5LED在室温情况下，在20 mA电流驱动下的寿命为10万小时，也就是说10万小时后，其光通量还保持在原来的一半。
LED 的半衰期与 PN 结（Tj 点）结点的温度关系可用如图2.1曲线表示，其
关系为
/
t ck
t
B B e-
=式中， Bt
为使用t后的光通量， Bo 为
初始使用的光通量； e为对
数常数；c为常数；t 为使用
时间；k 为温度。
不管如何测量，半导体照
明光源的寿命通常是比较长
的，这对 LED 产品应用来说
是一个很有意义的因素。
随着使用时间的推移，
LED的光衰量非常小。一般情
况下，LED光源的使用寿命是
50 000 h或者更长。如果其中
一个LED损坏了也不会影响整
个灯的继续照明。
LED灯的使用寿命还取决
于每天工作多少小时如图表 2.2所示。
每天工作时间 5 万小时等于10 万小时等于
每天24小时 5.7 年11.4 年
每天工作18小时7.4 年14.8 年
图2.1 LED的半衰期与PN 结结点的温度的关系
表2.2 LED 寿命与使用时间的关系
必须指出，50 000 h 是 LED 在实验室老化的预期寿命。从目前的制造技术来看，要做到灯具整体达到50 000 h 的寿命是很困难的。灯具寿命和光源寿命不能混为一谈
2.1方案比较
2.1.1方案一：长期寿命测试
方案一叙述：为了确认LED灯具寿命是否达到5 - 10万小时，需要进行长期寿命试验，目前的做法基本上形成如下共识：因 GaN基的LED器件开始的输出光功率不稳定，所以按美国 ASSIST联盟规定，需要电老化1000小时后，测得的光功率或光通量为初始值。之后加额定电流3000小时，测量光通量（或光功率）衰减要小于4%,再加电流 3000小时，光通量衰减要小于8%,再通电4000小时，共1万小时，测得光通量衰减要小于14%,即光通量达到初始值的 86%以上。此时才可证明确保 LED 寿命达到5 - 10万小时。
2.1.2方案二：加速（短期）寿命测试
方案二叙述：电子器件加速寿命试验可以在加大应力（电功率或温度）下进行试验，这里要讨论的是采用温度应力的办法，测量计算出来的寿命是LED平均寿命，即失效前的平均工作时间。采用此方法将会大缩短LED寿命的测试时间，有利于及时改进、提高LED可靠性。主要是引用“亚玛卡西”（yamakoshi）的发光管光功率缓慢退化公式，通
（Arrhenius）过退化系数得到不同加速应力温度下LED的寿命试验数据，再用“阿伦尼斯”
方程的数值解析法得到正常应力（室温）下的LED 的平均寿命，简称“退化系数解析法”,该方法采用三个不同应力温度即165℃、175℃和185℃下，测量的数据计算出室温下平均寿命的一致性。
2.2方案论证
方案一中试验周期长，需要电老化1000小时后，测得的光功率或光通量为初始值，之后加额定电流3000小时，测量光通量（或光功率）衰减要小于4%,再加电流 3000小时，光通量衰减要小于8%,再通电4000小时，共1万小时，将近42天的时间，与本次设计所给时间冲突十分巨大，试验过程将耗费诸多时间，故不宜采用此方案。
方案二中在加大应力（电功率或温度）下进行试验，这里要讨论的是采用温度应力的办法，测量计算出来的寿命是LED平均寿命，即失效前的平均工作时间。采用此方法将会大缩短LED寿命的测试时间，有利于及时改进、提高LED可靠性。能够在本次设计所给时间中，较为准确的得到试验的结果。
综上所述，本次设计将采用方案二进行以下设计。
3 单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1热阻( Rθ ) 的测量
本实验的目的在于得知工作条件与设备使用寿命之间的关系。工作条件中的两个重要因素是驱动电流和结温 Tj 。且结温 Tj 通过Rθ (在pn结与铜板之间) 进行计算。因此,为了获得可靠、准确的数据, 可以用两种方法对Rθ进行测量。一种是常见的电压梯度法, 另一种是利用热像仪。
LED 模块安装在铜基电路板上。电路板的形成特别设计成开放式的, 因此其外壳直接用铜和焊料焊接。铜板通过热导密封垫与热沉相连。热沉通过Peltier设备来控制温度。实验设备如图3.1所示。
可以对结温Tj
进行了常规测量。在
外壳中串联有5个芯
片。再对连接在一起
的5个芯片逐一进行
测量。每一个芯片部
的温度分布情况并不
完全一致。因此我们
用平均值作为最终测
量结果。
利用这种方法必
图3.1 热阻测量装置
须去除荧光板、光学
组件和底部填充剂, 直接确定芯片的温度分布情况。因此, 原则上我们必须关注
Tj 在去除硅树脂后可能出现的变化。对热传导过程的计算证实几乎所有的热量是通过金质凸点而非硅树脂来传导的。这说明 Tj 的测量与是否去除了硅树脂无关。
Rθ = 78.9 ℃/W。其数值与由常规测量方法获得的数值相同。我们利用这两种方法测得的热阻值完全一致。因此, 我们证实用两种方法测得的数据可靠、准确。
再利用热像仪分别对1块芯片和5块芯片进行测量, 其测量结果是在同位置测量到的Rθ值的1.2倍。
在计算中, 我们定义热阻为5块LED芯片平均温度的平均值。通过热像仪所测得的此数值为 100.2 ℃/W。因此, 我们假定其热阻为 100 ℃/W。
3.1.2结温测量
结温测量的实验装置如图3.2所示。恒温箱 ( 1 ) ( WG 243 型电热鼓风干燥箱)被用来控制 LED 的环境温度,误差小于 1 ℃。LED支架可以方便的固定LED ( 2 )
以及测量电路和热电阻 ( 3 ) ( Pt100标准热电阻) 。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上, 它的电阻值由万用 ( 4 ) ( VC 9802 A )来测量。电源 ( 5 ) ( SS P3112 光谱仪的稳流电源 ) 给 LED提供恒定直流。另一只万用表 ( 6 )( VC 9802 A ) 用来测量LED 的正向电压。 LED 发出的光通过透镜 ( 7 ) 汇聚后,透过恒温箱的玻
图3.2 测量结温的装置
璃窗口 ( 8 ) ,进入光谱仪 ( 9 ) ( SSP 3112 光谱仪 )的积分球。
在恒定电流 ( 20 mA ) 改变环境温度 ( 35 ～ 100 ℃ ) 测量的情况下,可以测得初始电压与初始结温符合很强的线性关系。
所以可以通过测量正向电压确定结温:
Tj = T0 +（Vt - V0）/K其中T0 是作为参考的环境温度, V0 是在T0 下的初始电压; Tj 和Vt 分别是稳定时的电压。整个测量过程中,电流要保持恒定。系数K可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K = (V1 - V0 ) / ( T1 - T0 ) ,也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。选择靠近拟合直线的测量点(95. 0 ℃, 3. 805 V)作为参考点,实验中LED通电后稳定时的结温可以由下面的公式来确定:Tj = [95.0 - 202.1 ×(Vj - 3.805) ] ℃
3.1.3光通量的测量
光通量的有积分球法和变角光度计法两种方法。变角光度计法是测试光通量最精确地的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量，如图3.3所示。用积分球法测LED光通量时有两种测试结构：一种是将被测 LED 放在球心；另外一种是将其放在球壁。
积分球的基本工作原理：光线由输入孔入射后，光线在球部被均匀的反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。而且入射光之入射角度、空间分布、以及极性都不会对输出的光束强度和均匀度造成影响。同时因为光线经过积分球部的均匀分布后才射出，因此积分球也可当作一个光强衰减器，输出强度与输入强度比大约约为：光输出孔面积/积分球部的表面积。
3.1.4串口电路的设计
图3.4 串口电路原理图
图3.3 积分球法测LED光通量