表征led器件的方法

xiaoxiao2020-9-9  2

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专利名称:表征led器件的方法
技术领域
本发明涉及表征发光二极管(LED)器件的方法。本发明还涉及被配置为操作这种方法的LED驱动器。
背景技术
由于LED的已知优点(比如,每瓦特流明方面的高效率、小形状因素(small formfactor)及持久性),LED用作高性能照明灯具的光源。在诸如街灯、交通信号灯等难以更换的照明灯具中,以及在例如基于安全原因而需要高可靠性的灯具(例如汽车灯)中,LED是越来越优选的光源。与许多其它光源类似,从LED输出的光随着时间而衰减,最终导致LED失效。为了避免完全失效,典型地,根据固定时间表时更换LED。然而,因为更换时间表通常尝试完全避免预更换失效,并且在预期LED失效的时间方面存在明显的扩大,所以在可能失效之前,替换了相当多的LED,这无疑是浪费的;备选的,如果延长替换时间表来减少这种浪费,则在替换之前,一些LED可能失效了,而这通常是不方便的,并且可能是危险的。为了预测,从而适当地阻止LED失效,已知的是,通过诸如光敏二极管之类的外部光传感器监视或测量光输出。尽管这种方式通常是鲁棒的,但是其需要附加的部件、电路和线,因而是不受欢迎的。此外,在不理想的照明环境中,比如存在来自其它LED或外来光源的干扰的情况,这种方法可能是不精确的。因此,一直存在对提供预测LED的失效并总体上表征其性能的其它方法的需求。

发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种表征LED器件的方法,所述方法包括在相应的第一和第二电流(ih,il)流经LED器件时确定所述LED器件两端的第一和第二电压(Vh,VI),并且依据Ron = (Vh-Vl)/(ih-il),根据所述第一和第二电压之差与所述第一和第二电流之差的比值,来确定所述特性电阻,从而确定特性电阻Ron的第一值和第二值;以及根据所述特性电阻的第一值(Ronl)和第二值(Ron2),来预测所述器件的使用寿命的结束。因此,根据该方面,特性电阻的值变化可以被认为是LED的输出光强度劣化的代表,或者可以指示LED的输出光强度劣化;输出光强度的劣化的知识可以用于预测LED的大致剩余寿命。在一些情况下,预测可以是特定电阻变化的直接外推;然而,在LED的操作条件已经随时间改变或修改了的更复杂环境中,更应当包括预测,或者预测可以考虑操作条件的变化。在实施例中,可以在LED器件的使用寿命开始时确定特性电阻的第一值。在实施例中,可以在所述LED器件的使用寿命的一部分之后确定所述特性电阻的第二值。在这种实施例中,可以在所述LED器件的使用寿命的另一部分之后确定所述特性电阻的第一值,并且所述方法还可以包括利用外推法估计所述LED器件的使用寿命开始时的特性电阻的值。
所述方法还可以包括相应地在所述使用寿命的至少一个其他部分之后确定所述特性电阻的至少一个其他值,并且预测使用寿命的结束包括外推出所述特定电阻针对使用寿命的演变或斜率。这可以包括线性外推,或者具体地在操作条件已经改变或修改了情况下的非线性外推法。一般而言,对特性电阻进行的测量越多,对使用寿命的结束的预测就可能越精确,原因在于可以对数据进行更好地拟合,并且可以更容易考虑操作条件的变化。在实施例中,所述方法还包括将所述特性电阻的至少一个值存储在存储器中。因此,例如,可以存储所述特性的初时值,或者存储一串值,以更好地监视所述特性电阻的演变或变化。备选地或者附加地,并且非限制地,可以存储对所述演变加以表示或指示的一个或多个参数。在实施例中,将所述使用寿命的结束预测为所述特性电阻Ron与所述使用寿命的开始处所述特性电阻的Ron的值相差预定量时的时间。非限制地,预定量可以在0. 6欧姆至I. 6欧姆范围内,更具体地,可以在0. 8欧姆至I. 2欧姆范围内,或者可以是近似I欧姆。
在实施例中,所述第一电流比所述第二电流大,二者相差4至6个数量级,或者具体地,5个数量级。在实施例中,所述方法还包括提供对所预测的使用寿命结束加以指示的警告信号。在实施例中,所述方法还包括基于所述所预测的使用寿命结束选择多个性能区段(bin)中的一个。因此,表征特性可以包括对LED的预筛,以及根据LED的期望使用寿命对LED进行分类,使得具有类似使用寿命的LED可以“被划分在相同区段内”,从而例如简化了预防性维护操作或相似操作期间的更换,原因在于可以预期相同性能区段中的LED将以广泛相似的方式劣化。这与提供例如波长匹配的其它LED划分区段类似。根据另一方面,提供了一种集成电路,被配置为驱动LED器件,并且操作任何前述权利要求的方法。根据下文描述的实施例,这些和其它方面将显而易见,并且将参考下文描述的实施例阐述这些和其它方面。


将参考附图仅以示例的方式描述本发明的实施例,其中图I是LED (发光二极管)的典型正向偏置电流-电压(IV)曲线的图;图2绘制了在图2(a)的相对高驱动电流下,特定条件下有效电阻相对于LED的使用寿命的变化,以及在图2(b)的相对低驱动电流下,特定条件下有效电阻相对于LED的使用寿命的变化;图3示出了 A Ron相对于归一化输出光强度的变化,其代表高功率蓝色LED的使用寿命;图4是不出了相对光输出与使用寿命之间关系的实验测量的表;图5不出了对于图4中所列器件,相对光输出与ARon之间的关系;以及图6示出了根据实施例的方法的流程图。应该注意,附图是图示,并且未按照比例绘制。为了清楚和方便的目的,在附图中,以扩大或缩小的尺寸示出了这些附图的部件的相对尺寸及比例。相同参考标记一般用于指代修改的和不同的实施例中的相应或相似特征。
具体实施例方式图I是LED的典型正向偏置电流-电压(IV)曲线的图。曲线10是“新”或原始LED (pristine LED)(即是说,在使用寿命的开始时的LED)的典型曲线。该曲线由具有低泄漏电流来表征。朝向曲线左方的且在曲线的“弯曲处”以下的区域11示出了这种情况。此夕卜,在“弯曲处”以上,如区域12所示,曲线总体上是陡峭的。附图还示出了典型的老化LED的对应IV特性20。相对于新或原始的LED曲线10,如区域21所示,该曲线20在低正向偏置处具有稍高些的泄露,以及典型地,如22处所示,在更高的正向偏置处,具有不那么陡峭的斜率。可以如下理解曲线随着LED的老化,LED的金属_半导体接触可能劣化,导致这些触点处的附加电阻。在较大驱动电流的情况下,这种增大的触点电阻导致增大的有效电阻。同时,典型地,存在在LED内形成的新泄漏路径。这与p_n结处的载流子的增大的非辐 射复合相对应;一般而言,由于半导体的晶体学方面的变化以及杂质的电迁移或热扩散和位错,这种非辐射复合将随着LED的使用寿命而增加。因此,器件的光输出减小,并且其消耗更多的功率,典型地,这导致了较热的操作,并且如果调整操作条件来维持相同的输出发光度,则甚至将导致更热温度。图I还示出了与LED的2个驱动电平相对应的两个电流电平(水平线)。第一驱动电平(ih)完全在曲线的“弯曲处”以上,所以二极管被导通,并提供光输出。第二驱动电平(il)明显低得多,但是重要的是,非零且为正。因为该驱动电平在曲线的弯曲处以下,所以LED高效地(即在光学上)被截止了(即是说,辐射复合小到足以忽略或为零)。如附图所示,对于老化器件而言,处于较高驱动电平ih处的LED的操作电压较高,而处于较低驱动电平ih处的LED的操作电压较低。这已经通过实验进行了测量,如图2所示,在图2中,绘制了特定操作条件下有效电阻相对于LED的使用寿命的变化。“有效电阻”意味着在特定操作条件下(在这种情况下,固定电流),电压与电流之比的值。因为LED具有非线性电流-电压响应曲线,欧姆定律不适用,所以测量结果并非真实的电阻,但是仍然产生了有用值,换句话说,品质因数,本文称作“有效电阻”。图2(a)示出了,对于具有高驱动电流(在这种情况下,1A)的LED,根据vl/il确定的有效电阻相对于使用寿命的变化。在X轴(或横坐标)上,绘制了随时间的归一化光输出;这被视为代表器件的老化。在y轴上(纵坐标)绘制了有效电阻。可见,有效电阻随着器件的操作而增大。如以上所讨论的,这可以在增加的串联电阻方面来说明。参考图1,这相当于高驱动电流ih处的操作点随着器件老化而向右移动。图2(b)示出了,对于具有低驱动电流(在这种情况下,IOyA)的LED,根据vl/Vi确定的有效电阻相对于使用寿命的变化。轴与图2(a)相同——尽管在这种情况下,与图2(a)所示的0-7欧姆相比,垂直范围是10-22k欧姆。在两种情况下,绘制了从左100%(即,新或原始LED)至右50% (严重老化器件)的正常输出。可见,有效电阻随着器件的操作而下降。如上所述的,这可以在增加的泄漏路径方面来说明。参考图1,这相当于低驱动电流i I处的操作点随着器件的老化而向左移动。可以从以上测量中获得参数的特性值,该参数具有欧姆的量纲,因而可以被称作特性电阻。在本文中,该特性电阻还将被描述为器件的“导通电阻(on-resistance) ”Ron,其中根据以下等式计算Ron Ron = (Vh-Vl) / (ih_i I)应该马上认识到,Ron是所选电流的函数,即是说,Ron-Ron(iI, ih)。此外,显而易见的是,Ron等于将高和低驱动电流处的操作点连接的线(对于原始器件,30处所示,以及对于老化器件,40处所示)的斜率的倒数。如图I所示以及如以上在损耗机制方面说明的,将高和低驱动电流处的动作点连接的线的斜率随着器件的老化而变得更小。因此斜率的倒数增大。这种增加可以表示为A Ron,并且一般地,为正。A R0n是器件寿命的函数,以及在器件寿命期间的任何时刻, ARon的值可以被定义为在器件寿命期间的该时刻测量的Ron与最初器件的Ron之差。即,被认为是操作时间t的函数A Ron (t) = A Ron (t) - A Ron (0),或者A Ron (t) = [ (Vh (t) -Vl (t)) - (Vh (0) -Vl (0)) ] / (ih_i I)。如上已经讨论的,Ron的量值是所选驱动电流ih和il的函数,因而ARon也是。然而,本发明人已经不可思议地实现并实验地证实了,随着器件的老化,A R0n遵循与归一化光输出的减少的线性关系,并且这在一定程度上独立于或者几乎独立于操作条件。图3示出了 A Ron随着高功率蓝色LED的使用寿命的变化。附图绘制了 y轴或纵坐标上器件的归一化光输出对X轴或横坐标上特性电阻的增加量,即是说,具有欧姆量纲的ARon。如所示,这两个属性之间存在线性关系。然后,只要这种关系成立,或者至少这种关系是通过找出在LED的使用寿命期间的特定时刻的ARon而可预测的或者确定的,因此能够推导出LED在该时刻的相对光输出,并且可以基于逝去的时间及过去的操作条件预测出在可以预期的完全失效之前的剩余使用寿命。作为示例,考虑高功率蓝色LED,其已经操作了 10000小时的操作时间tl,并且具有0.2欧姆的ARon。如图3的虚线所示,可以计算出,tl处的该LED的光输出是其原始值的92. 5%。根据简单线性外推,因为使LED光输出从100%下降到92. 5%花去了 10000个小时,所以使其下降至70%将总共花去40000个小时。如果光输出下降至其额定或原始值的70%被视为指示器件的使用寿命的额定结束,则可以基于过去的操作条件计算得出,还有剩余的30000个小时使用寿命。应该认识到,用于寿命预测的其它外推算法也是可能的,比如指数方程、阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程、通过预测的平均时间黑(Rlack)方程。还应该认识到,可以通过测量LED的使用寿命期间的若干时刻的A Ron来获得对剩余寿命的更精确预测,并且一般而言,随着器件的老化,预测的精度将增加。如图4所示,已经实验地证实了相对光输出与使用寿命之间的关系。在多种条件下对若干高功率蓝色LED进行了测试,附图示出了表格,该表格呈现出,对于每个器件(#),测试条件是,散热片的温度T (单位。C ),LED受到的电流I (单位mA)、器件在完全失效之前的总使用寿命L (单位S),以及小(结束)/>0的值,其中小(结束)/>0与LED刚失灵(即,LED总使用寿命的结束)之前的最后一次光输出(对原始光输出的归一化)相对应。通过附图可观察到,甚至对于相同额定条件下操作的器件(比如器件#8、#9、#11),器件的总使用寿命也改变了。
图5示出了在y轴上绘制的图4中所列器件的相对光输出与x轴上绘制的且进行了欧姆测量的特性电阻的增加量(即是说,ARon)之间的关系。尽管图5表明了 LED具有极不相同的总使用寿命的事实,但是每个LED的ARon与其相对光输出之间的关系遵循相当类似的线性曲线。因而,能够使用该关系根据ARon的测量值来确定相对光输出的估计。例如,可以预测的是,如果AR0n近似I欧姆,则如果LED的有效使用寿命被定义为其原始光输出的70% ±3%,则LED接近其经济使用寿命的结束。图6示出了根据实施例的方法的流程图。所述方法包括以下步骤 如610处所示,在LED使用寿命期间的第一已知时刻,通过以下步骤确定特性电阻的第一值Ronl :在612和614处,当相应第一和第二电流(ih,il)流经LED器件时,相应地确定LED器件两端的第一和第二电压(Vh,Vl);在616处,依据Ron= (Vh-Vl) / (ih_i I),根据第一电压与第二电压之差对第一电流与第二电流之差的比值来确定特性电阻; 如图620所示,在LED使用寿命期间的第二已知时刻,通过以下步骤确定特性电 阻的第二值Ron2 :在622和624处,当相应第一和第二电流(ih,il)流经LED器件时,相应地确定LED器件两端的第一和第二电压(Vh,Vl);在626处,依据Ron= (Vh-Vl) / (ih_i I),根据第一电压与第二电压之差对第一电流与第二电流之差的比值来确定特性电阻; 如630所示,根据特性电阻的第一值(Ronl)与第二值(Ron2)来预测器件的使用寿命的结束。本领域技术人员应该认识到,第二已知时刻的值Vh和Vl可以与第一已知时刻的相应值Vh和Vl不相同。可以基于第一与第二已知时刻的Ron的值之差(如果第一时刻是使用寿命的开始,即是说,可以基于AR0n的值)来预测器件的使用寿命的结束。第一已知时刻可以是器件的使用寿命的开始;在这些实施例中,第一与第二已知时刻的Ron的值之差等于AR0n的值。对使用寿命的结束的预测可以根据AR0n的线性外推。此外,可以在LED的使用寿命期间的第三或者后续已知一个时刻或多个时刻确定Ron的其他值,以改善对使用寿命的预测。可以基于对LED的使用寿命的预测,采取进一步的动作这些动作包括,例如通过在较低功率操作LED来减小LED上的应力,来提供对LED的操作条件的补偿,以维持初始或预定光输出,或者增加LED的使用寿命。可以采取的另一动作例如是提供与预期的使用寿命结束相关的警告。应该认识到,本文使用的术语“使用寿命”等应该被广义地解释,以包括预烧(burn-in)时间段或预筛(pre-screening)时间段。因而,在LED的正常操作环境或期望应用中使用LED之前,可以进行对总使用寿命的预测作为预筛操作或预应力操作的结果。如以上已经讨论的,所预测的总使用寿命并因此所预测的LED的使用寿命结束取决于操作LED的操作条件本领域技术人员应该认识到,ARon取决于累积操作通量(cumulative operationalf lux),并且ARon的演变取决于在该演变时间段期间的操作条件,而不是取决于特定时刻的操作条件。因为不可能肯定知道将来的操作条件,所以总使用寿命预测将受到基于操作条件的变化的误差的影响。不用说,针对使用寿命的结束将提高精度,原因在于,即使劣化速率的显著变化,也对总累积操作条件具有相对不太显著的影响。应该认识到,针对第一电流或第二电流选择的电流的精确值并不严格。总体上,较大的电流应该大到足以区分器件的接触电阻中的变化。方便地,可以将其选择为LED自身的额定操作电流,典型地,这可以在IOOmA与IA之间,或者大体上在IO6 ii A/mm2的量级。应该选择较小电流,以充分地区分通过器件的一条泄漏路径或多条泄漏路径中的变化,并且较小电流可以大约是IOii A或在lO^A/mm2的量级,因而,方便地,较高电流可以是较低电流的IO4至IO6倍,具体地,IO5倍。因为接触电阻可以是欧姆量级,并且可以是IOOk欧姆量级的泄漏电阻,所以应该认识到,电流之间IO5倍比值是方便的。然后,从一个角度看,本文公开了基于所谓的特性电阻来表征LED的方法,其中,首先在相对低的操作电流下操作LED,然后载相对高的第二操作电流下操作LED。根据这两个操作电流下的正向电压之差与操作电流之差的比值来确定特性电阻。在器件的使用寿命期间的两个或多个时刻测量特性电阻,并且根据特性电阻的演变或变化,进行与器件的总使用寿命相关的预测或估计。还公开了被配置为操作这种过程的集成电路。
通过阅读本公开,其它变型和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。这样的变型和修改可以包括LED器件领域已知的等同特征及其它特征,并且所述其它特征可以用于替代或者补充本文已经描述的特征。尽管所附权利要求涉及特征的特定组合,但是应该理解,无论是否涉及任何权利要求中当前要求保护的相同发明,并且无论是否消除了本发明解决的任何相同技术问题或所有相同技术问题,本发明的公开的范围都包括任何新颖特征、或者本文显式或隐式公开的特征的任何新颖组合、或者其任何概括。还可以在单个实施例中以组合的形式提供在分离实施例的上下文中描述的特征。相反地,还可以分离地或以任何适当的子组合的形式提供为了简洁而在单个实施例的上下文中描述的各种特征。申请人:在此给出声明,在本申请的进行期间或者在从本申请获得的任何其它申请的进行期间,新权利要求可以制定为这些特征和/或这些特征的组合。为了完整性的目的,还声明,术语“包括”不排除其它元件或步骤,术语“一”不排除多个,单个处理器或其它单元可以满足权利要求中记载的若干装置的功能,并且权利要求中的参考标记不应视为为限制权利要求的范围。
权利要求
1.一种表征LED器件的方法,所述方法包括 确定第一和第二电流(ih,il)流经LED器件时所述LED器件两端的相应第一和第二电压(Vh,VI),并且依据Ron= (Vh-Vl)/(ih-il),根据所述第一和第二电压之差与所述第一和第二电流之差的比值,来确定所述特性电阻,从而确定特性电阻Ron的第一值和第二值;以及 根据所述特性电阻的第一值(Ronl)和第二值(Ron2),来预测所述器件的使用寿命的结束。
2.如权利要求I所述的方法,其中,在所述LED器件的使用寿命开始时确定所述特性电 阻的第一值。
3.如权利要求I所述的方法,其中,在所述LED器件的使用寿命的一部分之后确定所述特性电阻的第二值。
4.如权利要求2所述的方法,其中,在所述LED器件的使用寿命的另一部分之后确定所述特性电阻的第一值,并且所述方法还包括外推以估计所述LED器件的使用寿命开始时的特性值。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法,还包括相应地在所述使用寿命的至少一个其他部分之后确定所述特性电阻的至少一个其他值,并且预测使用寿命的结束包括外推所述特定电阻相对于使用寿命的演变。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法,还包括将所述特性电阻的至少一个值存储在存储器中。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,将所述使用寿命的结束预测为所述特性电阻R0n与所述使用寿命开始时所述特性电阻的Ron值相差预定量时的时间。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法,其中,所述第一电流比所述第二电流大,两者相差4至6个数量级。
9.如权利要求7所述的方法,其中,所述第一电流比第二电流大,两者相差5个数量级。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法,还包括提供对所预测的使用寿命的结束加以指示的警告信号。
11.如权利要求I至8中任一项所述的方法,其中,所述方法还包括基于所预测的使用寿命的结束,来选择多个性能区段中的一个。
12.—种集成电路,被配置为驱动LED器件,并且操作任何前述权利要求所述的方法。
全文摘要
本发明公开了一种基于所谓的特性电阻来表征LED的方法,其中,首先以相对低的第一操作电流来操作LED,然后以相对高的第二操作电流来操作LED。根据这两个操作电流处的正向电压之差与所述操作电流之差的比值来确定特性电阻。在器件的使用寿命期间的两个或多个时刻测量特性电阻,并且根据特性电阻的演变或变化,进行与器件的总使用寿命相关的预测或估计。还公开了一种被配置为操作这种过程的集成电路。
文档编号H05B37/02GK102778655SQ20121013918
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月7日 优先权日2011年5月9日
发明者帕斯卡尔·贝思肯, 菲特·恩古耶恩 申请人:Nxp股份有限公司

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