基于光-电-热-寿命理论的LED寿命预测模型

LED的输出光通量、输入电功率、结温以及寿命之间互相影响、紧密联系。在设计、使用LED时需要综合考虑各个参数才能使LED工作在最佳状态。针对LED提出了光-电-热-寿命理论,该理论揭示了LED的输出光通量、输入电功率、结温以及寿命这4个参数之间的内在联系。使用该理论可以建立LED寿命预测模型,找到LED的输出光通量和寿命之间的关系式,根据该关系式可以预测LED的寿命,评估LED的可靠性。由此可以找到合适的LED工作点,兼顾LED输出光通量和LED寿命,实现LED在全生命周期内输出光通量最大,从而达到优化LED工作状态的目的。     

一种通用白光LED数学发光模型研究

白光LED发光模型是室内可见光通信系统设计与分析的重要基础。在对白光LED的光子出射机理进行分析和分类的基础上,提出了一种通用白光LED的数学发光模型。该模型以朗伯模式为基础,叠加不同分量的高斯模式,白光LED的结构和材质参数决定了模式的数量、权重和方向性。通过基于高斯-牛顿迭代的非线性回归估计算法,估算出各种类型白光LED发光模型的具体参数。仿真结果表明:该数学发光模型便于计算,适用于不同厂商生产的商用白光LED,模型数值与厂商数值之间相似度系数均大于95%,具有较高的准确性。     

基于穷举-粒子群算法的大功率LED四热阻模型研究

针对目前LED寿命难以准确评估的问题,从LED热阻出发,将穷举法(Exhaustive Attack method,EAM)和粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)相结合,提出了基于穷举-粒子群算法的大功率LED四热阻模型。建立了LED的四热阻模型和系统约束条件,实现了LED热阻系统满足LED计算结温与实际结温差最小的优化目标。实验结果表明:EAM-PSO算法能有效解决LED四热阻计算问题,与LED两热阻模型算法比较,EAM-PSO算法能够更加准确的评估LED寿命。     

具有寿命预测的LED路灯监控系统设计

针对目前城市路灯的用电总量大、灯具寿命短且无法提前预知等缺点,设计了一种基于ZigBee网络具有寿命预测功能的LED路灯监控系统;该系统由ZigBee通信模块、LED驱动电路及数据采集模块构成,可实现对照明设备的集中远程管理,提高道路照明质量;而且本系统设计的路灯控制器具有自适应调节功能,在不同环境亮度下自动调光以达到节能目的。该系统还可对LED灯的各项关键参数进行在线监测,判断路灯控制器工作状态,实时监测LED灯珠老化程度。通过对光通量维持率和时间的关系进行拟合得到特征公式,并采用阿仑尼乌斯老化模型来建立LED灯珠多结温下的寿命预测模型,实现对LED灯珠寿命预测并提前预警。     

视觉电生理闪光参数测量误差研究

闪光参数准确与否对于视觉电生理检查结果有效性具有重要意义。针对视觉电生理闪光参数特点,建立了闪光测量系统等效电路模型,基于传递函数理论分析了闪光测量系统参数对闪光强度、时程和波形测量误差的影响,以氙灯和LED为实验对象研究了系统参数在测量不同类型闪光时的误差。提出了减小测量误差以及消除测量闪光强度和LED闪光时程理论误差的方法并进行了实验验证。采用所述方法在不同系统参数下测量LED闪光强度结果的标准差为0.17%,LED闪光时程结果标准差为0.07%,可认为基本不变,实验与理论分析结果吻合。     

一种基于伪失效寿命的LED可靠性快速评价方法

提出一种快速评价LED可靠性的有效方法。通过测试LED样品的伪失效寿命,结合Minitab软件进行数据分析,确定全部样品的伪失效寿命服从二参数的威布尔分布。通过计算威布尔分布尺度参数,比较不同样品的尺度参数来评价产品的可靠性。该方法对LED的可靠性评价和寿命预测有一定的参考价值。     

LED灯具在线老化测试新方法研究

为解决LED灯具寿命老化测试普遍存在的操作流程复杂、自动化程度低、老化过程监测不连续而难以精确获得失效节点等问题,提出一种在线自动老化测试新方法,开发LED照明灯具自动化在线老化测试系统,全程由中心计算机程控并脱离人为操作,实时连续监测LED灯具老化过程中的光衰、电参数等指标,实现LED照明灯具的自动化在线寿命老化测试。     

基于全连接神经网络的自然光谱复现方法研究

为了能够精准和快速地复现可见光波段自然光谱，实现全光谱照明，使用具有强大非线性拟合能力的神经网络完成光谱匹配。首先，利用全连接神经网络的自学习能力，在采用基于修正高斯分布拟合函数的多个单色LED合成光谱模型生成训练和测试数据集的基础上，构建充分体现合成光谱和各单色LED光强系数比例关系的神经网络模型，即该模型能够针对输入光谱得到对应的单色LED光强比例系数，进而实现光谱复现。其次，针对标准太阳光谱和实测得到的不同时刻、天气的自然光谱进行光谱复现，并与采用基于遗传算法的光谱复现方法得到的结果进行对比。结果表明，基于全连接神经网络的自然光谱复现方法能够以小于5%的误差实现标准太阳光谱和实测太阳光谱的匹配，证明可使用同一个训练模型在不改变单色LED数量和种类的条件下得到多种与目标光谱高度吻合的不同类型光谱。对比其他光谱匹配算法，所提方法的拟合速度提高了数倍，还具有稳定性高、调控灵活、操作简便等优势。     

基于加速性能退化的LED灯具可靠性评估

提出了一种基于加速性能退化的LED灯具可靠性快速评估方法。以LED灯具的使用寿命评估为目标,设计了温度和电应力的恒定应力加速退化试验及其加速模型,给出了基于性能退化的LED灯具可靠性评估一般流程。以国内某型LED灯管为试验对象,对其可靠性进行了评价:在正常应力水平下,该型LED灯管的寿命评估值为31 571 h。结果表明该方法能够快速、有效地评估LED灯管的可靠性。该方法不仅节省实验时间,而且对LED灯具的可靠性评估及产品质量管理有一定的参考价值。     

光谱分布可调光源的LED筛选研究

针对LED光谱分布可调光源对LED寿命以及光谱一致性的要求,对可见光和近红外波段的29种LED分别进行200 h的电流加速老化试验,并提出LED光谱一致性筛选算法。老化试验结果表明:峰值波长为385 nm、400 nm 和420 1 nm 3种LED的辐射通量平均衰减分别为24.8 %、10.7 %和25.6 %,不能用于LED光谱分布可调光源;剩余的26种LED的辐射通量平均衰减量均低于3.5 %,可作为光谱分布可调光源的内部光源。LED光谱一致性筛选算法以LED光谱数据为基础,计算同类LED间的相对光谱偏差,26种LED的相对光谱偏差均小于4.5 %,保证了所筛选出LED的光谱一致性。     

应用于塑料光纤系统的LED的温度特性及其补偿

本文介绍了塑料光纤系统的特点,光源和探测器的温度特性以及温度补偿方法,并指出塑料光纤系统是当前传输距离50米以内应用最活跃的光通信系统和光纤传感器系统。     

High power and high reliability GaN/InGaN flip-chip light-emitting diodes

High-power and high-reliability GaN/InGaN flip-chip light-emitting diodes (FCLEDs) have been demonstrated by employing a flip-chip design, and its fabrication process is developed. FCLED is composed of a LED die and a submount which is integrated with circuits to protect the LED from electrostatic discharge (ESD) damage. The LED die is flip-chip soldered to the submount, and light is extracted through the transparent sapphire substrate instead of an absorbing Ni/Au contact layer as in conventional GaN/InGaN LED epitaxial designs. The optical and electrical characteristics of the FCLED are presented. According to ESD IEC61000-4-2 standard (human body model), the FCLEDs tolerated at least 10\,kV ESD shock have ten times more capacity than conventional GaN/InGaN LEDs. It is shown that the light output from the FCLEDs at forward current 350mA with a forward voltage of 3.3\,V is 144.68\,mW, and 236.59\,mW at 1.0\,A of forward current. With employing an optimized contact scheme the FCLEDs can easily operate up to 1.0\,A without significant power degradation or failure. The life test of FCLEDs is performed at forward current of 200\,mA at room temperature. The degradation of the light output power is no more than 9\% after 1010.75\,h of life test, indicating the excellent reliability. FCLEDs can be used in practice where high power and high reliability are necessary, and allow designs with a reduced number of LEDs.     

多芯片LED器件热学特性分析

由于芯片之间存在的热耦合效应,多芯片LED器件内部存在复杂热学规律。本文通过多芯片LED热学模型描述多芯片LED器件系统内部热阻支路路径,进而通过有限体积数值计算多芯片LED器件结温。通过本文试验验证,单颗芯片、2颗芯片、3颗芯片以及4颗芯片在负载不同电功率（0.3~1.2 W）情况下,结温的测试值和计算值的最小误差值为0.8%,最大误差值为6.8%,平均误差值为3.4%,计算结果与测试结果基本保持一致,因此有利论证了多芯片LED热学模型可为评价多芯片LED器件热学性能提供重要的参考作用,有助于更全面分析多芯片LED热阻内部芯片之间的热耦合效应。该实验结果为准确预测多芯片LED器件内部结温提供了重要理论依据。     

白光LED封装材料对其光衰影响的实验研究

为了确定不同封装材料对白光LED光衰等性能指标影响的程度,进行了不同材料支架、不同种类固晶胶,以及不同厂家荧光粉及配粉胶的对比试验。试验发现,使用铜支架比铁支架LED的光效高,在第8周时光衰比铁支架低10％;使用银浆固晶比用环氧树脂寿命长,但初始光通比环氧树脂低近1／3;不同厂家的荧光粉对白光LED光衰的影响程度不同;使用环氧树脂作为配粉胶比用硅胶寿命短,但初始光通量相对高出25％。分析认为,主要是由于不同固晶胶和支架使PN结至支架之间的热阻发生了变化,不同配粉胶在LED封装过程中烘烤温度不一样,以及荧光粉本身具有光衰特性导致了白光LED产生不同程度的光衰。因此,在进行白光LED的封装设计、制造过程中,应根据用户对初始光通量、光衰以及色温漂移等参量的重视程度综合考虑并选择相应的封装材料．     

功率型白光LED的非线性混合调光方法

分析脉冲宽度调制(PWM)双通道输出白光LED的混合调光方法,建立PWM与混合光源输出的光通量和色温之间变化关系的非线性数学模型。基于Zig Bee无线通信模块CC2530作为双路PWM输出,控制以SN3350为核心的LED恒流驱动电源,完成占空比可调的暖白和冷白两路白光LED的色温和光通量混合调光控制系统设计,并通过高精度快速光谱辐射计HAAS-2000测试系统进行测试。实验结果表明,双路PWM能够较好地实现对LED色温和光通量的输出大小进行控制,混合光源相关色温在3 250~15 000 K范围内连续可调。理论计算与系统控制的光通量和色温存在的相对误差分别小于1.70%和8.50%。     

基于热场分析的LED日间行车灯优化设计

针对LED日间行车灯的设计需求,提出通过热场仿真分析实现其热性能优化设计的方法。首先,根据LED日间行车灯的结构建立其有限元仿真模型,通过实验观测LED日间行车灯工作中的温度分布情况,并以实验观测结果验证仿真模型的有效性;然后,基于以上模型仿真分析日间行车灯的灯珠间距、铝基板厚度与LED灯珠结温之间的关系;以上述关系为约束条件,结合生产成本,得出在LED灯珠一定的情况下,灯珠间距为37 mm、铝基板厚度为1 mm的最优化设计方案,使LED日间行车灯能够可靠工作且成本更低。     

白光LED智能调光数学模型

LED灯的光通量不仅受电流的影响,还受到结温变化的影响。针对传统LED调光存在只改变电流大小而忽略结温变化对光通量影响所存在的不足,结合LED结温和管脚温度存在特定的关系,利用实验装置采集HL001WY型Ga N基白光LED在不同管脚温度和正向电流下的光通量实验数据并进行二次项趋势回归,利用定标和归一化方法建立光通量、电流以及管脚温度三者变化关系的数学模型。计算结果表明,利用该方法建立的模型得到的计算数值与实验实际测量值的相对误差小于4.5%。     

结温与热阻制约大功率LED发展

LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。保持LED结温往允许的范围内,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。首先介绍pn结结温对LED器什性能的影响,接着分析大功率LED结温与器件热阻的关系．基于对器件热阻的分析,得出了结温与热阻已经制约大功率LED进一步向更大功率发展的结论,并提出了如下两个观点：1．要在保持低成本和自然散热方式下提高LED器件的功率,根本的出路是提高光转换效率;2．在日前没有提高光转换效率的情况下,发展超过5W的大功率器件对工程应肘没有实质意义。     

LED异形灯的散热设计与实验

为了提高LED灯具的散热能力,基于烟囱效应原理,设计了一种新型的LED灯具散热结构。该结构仅采用一块圆柱状基板,不需要散热器,突破了传统LED灯具的构造模式。运用软件Solidworks构建三维模型,用其插件Flow Simulation进行热仿真。当功率为10 W时,LED芯片最高温度为81.34℃。当功率增加到15 W时,最高温度变为105.54℃,高于芯片安全工作温度85℃。因此,本文提出在基板中间加入散热器的改进方案,使LED芯片最高温度下降了30.79℃。并以散热器翅片数12个、内环直径20 mm、翅片厚度1 mm为基础模型参数,进行优化试验。研究表明:在翅片数为12个、内环直径为12 mm、翅片厚度为1 mm时,LED异形灯的散热效果最好,此时,LED异形灯的最高温度为72.21℃。当功率为8,13,15,17,19 W时,LED异形灯芯片的温度都满足LED工作的安全要求。经过对8 W的LED异形灯样品的实验测试,测得其最高温度为53℃,与仿真结果仅相差1.01℃,证实了研究的准确性。所设计的LED异形灯,为解决大功率LED散热问题提供了一条新的途径。