LED熱分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中光功率測量模塊的設(shè)計(jì)

谷承儒 張建新 薛亮 趙政 鄒正陽 顏會(huì)芬 任釗杰 李銳

摘 要：光功率測量是對LED光學(xué)和熱學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)與分析的必備環(huán)節(jié)。為了搭建學(xué)生教學(xué)使用的LED熱分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款LED光功率采集模塊。該模塊的光學(xué)腔能為LED提供散熱組件，并可排除光信號被硅PIN光電二極管采集時(shí)的光線干擾問題，輸出可靠的電流信號，進(jìn)而被后續(xù)的對數(shù)放大電路轉(zhuǎn)化為電壓信號。該電壓信號在STM32F103主控芯片的定時(shí)控制下，被A/D轉(zhuǎn)換器處理成數(shù)字信號，并實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)軟件。在采集電壓的數(shù)據(jù)處理中，平滑處理可進(jìn)一步濾除信號噪聲，參照焊點(diǎn)溫度的擬合處理可實(shí)現(xiàn)采集電壓與光功率的對應(yīng)校準(zhǔn)。本模塊設(shè)計(jì)簡潔，成本低廉，測量速度快，分辨度良好，非常適合在LED散熱相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中推廣使用。

關(guān)鍵詞：光功率測量 LED 光電二極管 對數(shù)放大電路

中圖分類號：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0099-04

Abstract：Optical power measurement is an essential test for the analysis and evaluation of LED optical and thermal performance. In order to set up an experimental system of LED thermal analysis， an optical power measurement module was designed and implemented. In the measurement module， optical cavity provides heat sink for LED cooling and eliminates light interference in the process of light signal acquisition by Si-PIN photodiode. The output current signal of Si-PIN photodiode can be converted to voltage signal by logarithmic ratio amplification circuit. Under the control of STM32F103 devices， the analog voltage signal can be converted to digital voltage signal through A/D converter and transmitted to computer soft via serial port. In data processing of acquired voltage， appropriate data smoothing can remove the noise in signal， the fitting formula based on solder joint temperature by linear regression analysis can be used to calibrate the relationship between acquired voltage and optical power. The optical power measurement module has some advantages such as simple structure， low cost， high measure speed， and higher resolution. Therefore， the measurement module is worth to widely apply in experimental teaching of related courses.

Key Words：Optical power measurement； LED； Photodiode； Logarithmic ratio amplification circuit

大功率LED憑借高光效、長壽命、綠色節(jié)能、快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已被作為新一代節(jié)能光源而大力推廣到照明、裝飾和顯示等領(lǐng)域[1-2]。在LED的實(shí)際應(yīng)用中，其輸出光功率的大小不僅是判斷電光轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能程度的重要指標(biāo)，而且由于LED對溫度十分敏感，在對其進(jìn)行熱阻測量和散熱性能分析時(shí)，也必須同時(shí)測得光功率隨LED溫度的變化趨勢，以及LED在不同工作狀態(tài)下熱功率（熱功率等于電功率與光功率的差值）的具體數(shù)值[3]。因此，光功率是LED產(chǎn)品在研發(fā)、制造及質(zhì)檢等環(huán)節(jié)中用于性能評價(jià)的基本參數(shù)之一。

在LED的實(shí)際生產(chǎn)與性能研究中，光功率可通過積分球設(shè)備準(zhǔn)確測得，但積分球并不能同步測量LED的熱學(xué)數(shù)據(jù)。若光功率與熱學(xué)數(shù)據(jù)在不同設(shè)備中分別測得，勢必會(huì)造成光、電、熱參數(shù)在測量條件上不能保持一致，而這種不一致也將導(dǎo)致在熱學(xué)分析時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。此外，積分球設(shè)備缺少控溫裝置，會(huì)使LED在點(diǎn)亮初期出現(xiàn)快速的溫度攀升，而積分球的測量速度較慢，并不能準(zhǔn)確采集某一時(shí)刻的真實(shí)光功率數(shù)值。再者，積分球設(shè)備屬于精密檢測儀器，售價(jià)較高，需專人操作，不適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。

為了搭建一套適合學(xué)生教學(xué)的LED熱分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文選用STM32F103作為主控芯片（MCU），并基于對數(shù)放大電路設(shè)計(jì)一款帶光學(xué)腔的LED光功率采集模塊，使其能夠快速采集LED的光信號，并通過必要的數(shù)據(jù)處理，獲得LED不同工作狀態(tài)下的光功率數(shù)值。

1 LED及其光功率測量原理

光功率測量模塊的應(yīng)用對象為CREE公司生產(chǎn)的XLamp 7090XR-E型LED燈珠，它能適應(yīng)200～750mA大范圍的電流變化，只需調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流IF，就可以輸出一系列變化分明且穩(wěn)定的光功率PL。

LED光功率測量模塊的工作原理如圖1所示。當(dāng)LED被點(diǎn)亮工作后，其光信號在無外界光干擾和本身出光的反射干擾的光學(xué)腔內(nèi)，被光電二極管接收并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺撾娏餍盘栐俳?jīng)過對數(shù)放大電路轉(zhuǎn)化為電壓信號。操作者可通過計(jì)算機(jī)軟件設(shè)定光功率測量的起止時(shí)間和采樣間隔等參數(shù)，使MCU遵照該設(shè)定參數(shù)控制A/D轉(zhuǎn)換器采集對數(shù)放大電路輸出的電壓信號，并處理成數(shù)字信號，MCU再將數(shù)字信號經(jīng)串口傳輸給計(jì)算機(jī)軟件，最終由軟件完成數(shù)據(jù)處理，并將測量結(jié)果展示給操作者。

2 光功率測量模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)腔的設(shè)計(jì)

光學(xué)腔主要是為LED向光電二極管傳遞光信號的過程提供一個(gè)盡可能排除光線干擾的環(huán)境，其設(shè)計(jì)模型如圖2所示。光學(xué)腔主要由亞克力板粘接成方形結(jié)構(gòu)，其頂部設(shè)置有密封蓋，方便光電二極管、LED及其散熱組件的安裝與更換。光學(xué)腔的左右兩側(cè)分別是帶散熱器的LED和光電二極管，二者在光學(xué)腔內(nèi)處于正相對位置。為了盡可能減少光線干擾，光學(xué)腔的所有內(nèi)壁均粘貼黑色植絨布。

2.2 光電二極管的選擇

光電二極管是一種將光信號轉(zhuǎn)變成電流信號的光電傳感器件，其輸出電流值與被測光源的光功率大小存在明確的正比關(guān)系。目前，能用于可見光探測的光電二極管主要有：PN型、PIN型和雪崩型。其中，PN型的響應(yīng)速度過低，不滿足LED光功率的快速采集要求；雪崩型雖響應(yīng)速度很快，但具有顯著的倍增效應(yīng)，在大功率LED的光照下極易產(chǎn)生大電流而被燒毀；PIN型光電二極管具有適中的響應(yīng)速度和輸出電流，且工作參數(shù)的溫度穩(wěn)定性較好，符合本設(shè)計(jì)的選型要求。

此外，本文主要針對波長在380～780nm范圍的白光LED進(jìn)行光功率測量，而硅PIN光電二極管在該波長區(qū)域的響應(yīng)度較高，約在0.1～0.6A/W[4]，且對于較寬的發(fā)光光譜也有著良好的測量靈敏度和很低的暗電流及噪聲[5]，因此本文選用硅PIN光電二極管作為光信號的采集器件。

2.3 對數(shù)放大電路的設(shè)計(jì)

在電流信號向電壓信號的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用了專門提供光電二極管接口的AD8304芯片。該芯片能將光電二極管的微小電流依照對數(shù)比放大并轉(zhuǎn)化成電壓信號，這種對數(shù)放大模式可以獲得很大的動(dòng)態(tài)范圍，能夠提高較低分辨率的信號采集精度，并且芯片內(nèi)部集成了溫度補(bǔ)償電路，可減少溫漂影響，提高信號的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定度[6]。

2.4 MCU控制下的信號采集與A/D轉(zhuǎn)換

本設(shè)計(jì)選用的MCU內(nèi)部已含有12位逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器可以在MCU的控制下，將對數(shù)放大電路輸出的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其轉(zhuǎn)換精度基本滿足設(shè)計(jì)需求。由于LED在點(diǎn)亮初期的溫升很快，為了及時(shí)捕捉快速溫升下的光功率變化數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)軟件界面上為MCU設(shè)定的采樣時(shí)間間隔為1s，總體采樣時(shí)間為20min。當(dāng)每次采樣結(jié)束后，MCU都會(huì)通過串口將A/D轉(zhuǎn)換得到的電壓數(shù)字信號上傳給計(jì)算機(jī)軟件，并自動(dòng)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件中。

3 光功率測量的數(shù)據(jù)處理

3.1 采集電壓數(shù)據(jù)的平滑處理

圖4是LED光功率測量模塊搭建完畢后的實(shí)物照片，圖5是以LED驅(qū)動(dòng)電流IF=550mA為例，測量模塊中LED的焊點(diǎn)溫度TR以及采集電壓Vout的原始數(shù)據(jù)和平滑處理后的數(shù)據(jù)分別隨LED工作時(shí)間的變化趨勢。由圖5可以看出，隨著LED工作時(shí)間的延長，焊點(diǎn)溫度TR先是快速上升，再緩慢達(dá)到平衡；采集電壓Vout的原始數(shù)據(jù)與TR的變化趨勢相反，完全符合光功率隨LED溫度升高而下降的變化趨勢。雖然對數(shù)放大電路中采用了基本的濾波措施，但Vout的原始數(shù)據(jù)仍然不夠穩(wěn)定，需要在計(jì)算機(jī)軟件中實(shí)施平滑處理，從而進(jìn)一步濾除信號噪聲。

3.2 由采集電壓向光功率的校準(zhǔn)處理

為了將采集電壓Vout與LED的光功率PL進(jìn)行對應(yīng)校準(zhǔn)，首先在本設(shè)計(jì)的光功率測量模塊中獲得了LED不同驅(qū)動(dòng)電流下采集電壓Vout與焊點(diǎn)溫度TR的關(guān)系曲線（見圖6），然后將同一顆LED連同散熱器一起轉(zhuǎn)移至積分球中，再一次測量該LED在不同驅(qū)動(dòng)電流下光功率PL與焊點(diǎn)溫度TR的關(guān)系曲線（見圖7）。

通過對圖6和圖7中的每一種驅(qū)動(dòng)電流情況下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，分別獲得采集電壓Vout與焊點(diǎn)溫度TR的關(guān)系式以及光功率PL與焊點(diǎn)溫度TR的關(guān)系式。同樣以LED驅(qū)動(dòng)電流IF=550mA的情況為例，線性擬合得到的兩種公式分別如下：

按照上述方法，可獲得所有驅(qū)動(dòng)電流下光功率PL隨采集電壓Vout而變化的關(guān)系式，并且為了直觀顯示二者的對應(yīng)關(guān)系，將其散點(diǎn)數(shù)據(jù)展示在圖8中。由圖8可以看出，不僅在不同驅(qū)動(dòng)電流情況之間，而且在同一驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的不同溫度情況下，測量結(jié)果均具有較為明顯的光功率分辨度，能夠在將其用于搭建學(xué)生教學(xué)使用的LED熱分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，有助于學(xué)生理解和熟悉LED溫度對光功率的影響趨勢，并能為后續(xù)的LED熱性能分析提供較為正確的光功率數(shù)值。

值得注意的是，由于出產(chǎn)廠家或生產(chǎn)批次不同的白光LED通常會(huì)具有不同出光光譜，在更換實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)，需要再次進(jìn)行校準(zhǔn)處理。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款帶有光學(xué)腔的LED光功率采集模塊。其中，光學(xué)腔不僅可以抑制光信號采集時(shí)的光線干擾，而且能為LED提供散熱組件，可降低LED的溫升速度，并保障其正常工作。選用的硅PIN光電二極管可將采集的LED光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺俳?jīng)過基于AD8304的對數(shù)放大電路，進(jìn)一步將電流信號放大并轉(zhuǎn)化成電壓信號。該電壓信號在MCU的定時(shí)控制下被A/D轉(zhuǎn)換器處理成數(shù)字信號，并實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)軟件。在計(jì)算機(jī)軟件中，采集的電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過平滑處理后，可進(jìn)一步濾除信號噪聲，并通過焊點(diǎn)溫度為“紐帶”，將采集電壓數(shù)據(jù)與相同LED（含散熱器）在積分球中的光功率測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)，并完成擬合校準(zhǔn)處理。

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，且易于校準(zhǔn)和上手操作，能快速跟蹤采集快速溫升過程中的LED光功率變化，并對不同工作狀態(tài)下的LED均具有較明顯的光功率分辨度，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握LED光學(xué)和熱學(xué)性能分析的基本趨勢和原理，滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技能培養(yǎng)要求，具有良好的應(yīng)用前景和繼續(xù)開發(fā)優(yōu)化的參考價(jià)值。

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