【正文】 第 1 頁 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 目錄 1 前言（緒論） ...........................................2 2 總體方案設(shè)計(jì) ...........................................3 方案比較 4 方案一：長(zhǎng)期壽命測(cè)試 ................................................................................... 4 方案二：加速（短期）壽命測(cè)試 ................................................................... 4 方案論證 4 3 單元模塊設(shè)計(jì) ...........................................5 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) 5 熱阻 ( Rθ ) 的測(cè)量 ..................................................................................... 5 結(jié)溫測(cè)量 ......................................................................................................... 5 光通量的測(cè)量 .................................................................................................. 7 串口電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................. 7 溫度控制和報(bào)警電路設(shè)計(jì) ............................................................................ 8 過零觸發(fā)電路設(shè)計(jì) ....................................................................................... 8 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件 9 LED 燈常用電路參數(shù) .................................................................................... 9 電學(xué)特性 ......................................................................................................... 9 特殊器件的介紹 12 ADM3251E ........................................................................................................ 12 ADUC848 ........................................................................................................ 13 555 芯片 ....................................................................................................... 14 各單元模塊的聯(lián)接 16 4 軟件設(shè)計(jì) ..............................................17 PROTEL99 SE 簡(jiǎn)介 17 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及功能 17 5 系統(tǒng)調(diào)試 ..............................................18 6 系統(tǒng)功能及指標(biāo)參數(shù) .....................................19 說明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能 19 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)測(cè)試及測(cè)試方 法說明 19 失效時(shí)間和失效數(shù)的確定 .......................................................................... 19 數(shù)據(jù)處理方法 ................................................................................................ 21 21 7 結(jié)論 .................................................22 8 總結(jié)與體會(huì) ............................................23 9 參考文獻(xiàn) ..............................................24 附錄 1：相關(guān)設(shè)計(jì)圖 ........................................25 附錄 2：元器件清單表 ......................................26 附錄 3：相關(guān)設(shè)計(jì)軟件 ......................................27 第 2 頁 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 1 前言（緒論） 1986 年，在藍(lán)寶石基底上沉 積高品質(zhì) GaN 晶體獲得成功，并且在 1993 年開發(fā)出了高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管 ( LEDs) 。至今，人們?nèi)栽趯?duì)高亮度藍(lán)光 LED 進(jìn)行不斷地完善。在 1996 年，開發(fā)出了采用藍(lán)光 LED 與黃色熒光粉相結(jié)合發(fā)出白光的 LED 產(chǎn)品并將其商業(yè)化 [1]。 21 世紀(jì)照明 METI 國家 (Akari) 項(xiàng)目是一項(xiàng)基于高效率白光 LED 照明技術(shù)的工程，它利用的是近紫外線 LED 與熒光粉系統(tǒng)相結(jié)合的方法，該項(xiàng)目于 1998 年啟動(dòng)，其第一階段的項(xiàng)目已于 2020 年完成。 作為電子元器件，發(fā)光二極管（ Light Emitting DiodeLED）已出現(xiàn) 40 多年，但長(zhǎng)久以來，受到發(fā)光效率和亮度的限制，僅為指示燈所采用，直到上世紀(jì)末突破了技術(shù)瓶頸，生產(chǎn)出高亮度高效率的 LED 和蘭光 LED，使其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到信號(hào)燈、城市夜景工程、全彩屏等，提供了作為照明光源的可能性。隨著 LED 應(yīng)用范圍的加大，提高 LED可靠性具有更加重要的意義。 LED 具有高可靠性和長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)研發(fā)過程中，需要通過壽命試驗(yàn)對(duì) LED 芯片的可靠性水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過質(zhì)量反饋來提高 LED芯片的可靠性水平，以保證 LED 芯片質(zhì)量，為此我司在實(shí)現(xiàn)全色系 LED產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，開發(fā)了 LED 芯片壽命試驗(yàn)的條件、方法、手段和裝置等，以提高壽命試驗(yàn)的科學(xué)性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。 近些年來， LED 照明因具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如長(zhǎng)壽命、低能耗、體積小等而非常有吸引力。最早 LED 只是被用來替換小型白熾燈充當(dāng)指示器。在其光效有所提高后， LED 被應(yīng)用于顯示器中。隨著其光效和總光通量的進(jìn)一步改善， LED 開始被應(yīng)用于日常照明領(lǐng)域。對(duì)于普通照明設(shè)備而言 , LED 有限的光通量是一個(gè)難以解決的問題。要想獲得高光通量就需要有高密度基底和大的工作電流。這將導(dǎo)致 LED 產(chǎn)生熱量、溫度升高 , 損壞LED 模塊。 隨著 LED 生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，產(chǎn)品的壽命和可靠性大為改觀， LED 的理論壽命為10 萬小時(shí)，如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)，很難對(duì)產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評(píng)價(jià)，而我們?cè)囼?yàn)的主要目的是，通過壽命試驗(yàn)掌握 LED 芯片光輸出衰減狀況，進(jìn)而推斷其壽命。 本設(shè)計(jì) 介紹了 LED 芯片壽命試驗(yàn)過程，提出了壽命試驗(yàn)條件，完善的試驗(yàn)方案，消除可能影響壽命試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素，保證了壽命試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。采用科學(xué)的試驗(yàn)線路和連接方式，使壽命試驗(yàn)臺(tái)不但操作簡(jiǎn)便、安全，而且試驗(yàn)容量大。 第 3 頁 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 2 總體方案設(shè)計(jì) LED 的發(fā)光過程包括三個(gè)部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。由此可見， LED 主要靠載流子的不斷移動(dòng)而發(fā)光的，不存在老化和燒斷的現(xiàn)象，其特殊的發(fā)光機(jī)理決定了它的發(fā)光壽命長(zhǎng)達(dá) 5 10 萬個(gè)小時(shí)。 LED 的壽命主要取決于 LED 芯片的質(zhì)量、芯片的設(shè)計(jì)和芯片的材料。直接影響 LED 壽命的關(guān)鍵因素有兩個(gè)：一是驅(qū)動(dòng)電流的變化 —— 達(dá)到某個(gè)閾值以后，啟動(dòng) LED 的電流越高，發(fā)光發(fā)熱就越多；二是工作環(huán)境溫度 —— 溫度越高，出光就越少。此外， LED 燈具的安裝及固定方式對(duì)其壽 命也有很大的影響。 LED 芯片對(duì)溫度異常敏感，這也是半導(dǎo)體的共性。一般用 LED 照明光源光通量流明值下降到初始值的 50%的時(shí)間來定義其壽命。 50%就是 LED 的半衰期，例如，φ 5LED 在室溫情況下，在 20 mA 電流驅(qū)動(dòng)下的壽命為 10 萬小時(shí)，也就是說 10 萬小時(shí)后，其光通量還保持在原來的一半。 LED 的半衰期與 PN 結(jié)（ Tj 點(diǎn)）結(jié)點(diǎn)的溫度關(guān)系可用如圖 曲線表示，其關(guān)系為 /0 t cktB Be?? 式中， Bt 為使用 t 后的光通量， Bo 為初始使用的光 通量； e 為對(duì)數(shù)常數(shù) ； c 為常數(shù)； t 為使用時(shí)間； k 為溫度。 不管如何測(cè)量，半導(dǎo)體照明光源的壽命通常是比較長(zhǎng)的，這對(duì) LED 產(chǎn)品應(yīng)用來說是一個(gè)很有意義的因素。 隨著使用時(shí)間的推移，LED的光衰量非常小。一般情況下， LED光源的使用壽命是 50 000 h 或者更長(zhǎng)。如果其中一個(gè) LED損壞了也不會(huì)影響整個(gè)燈的繼續(xù)照明。 LED燈的使用壽命還取決于每天工作多少小時(shí)如圖表 所示。 每天工作時(shí)間 5 萬小時(shí)等于 10 萬小時(shí)等于 每天 24小時(shí) 年 年 圖 LED 的半衰期與 PN 結(jié)結(jié)點(diǎn)的溫度的關(guān)系 第 4 頁 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 每天工作 18小時(shí) 年 年 每天工作 8 小時(shí) 年 年 表 LED 壽命與使用時(shí)間的關(guān)系 必須指出， 50 000 h 是 LED 在實(shí)驗(yàn)室老化的預(yù)期壽命。從目前的制造技術(shù)來看，要做到燈具整體達(dá)到 50 000 h 的壽命是很困難的。燈具壽命和光源壽命不能混為一談 方案一：長(zhǎng)期 壽命測(cè)試 方案一敘述： 為 了確認(rèn) LED 燈具壽命是否達(dá)到 5 10 萬小時(shí)，需要進(jìn)行長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)，目前的做法基本上形成如下共識(shí)：因 GaN 基的 LED 器件開始的輸出光功率不穩(wěn)定，所以按美國 ASSIST 聯(lián)盟規(guī)定，需要電老化 1000 小 時(shí)后，測(cè)得的光功率或光通量為初始值。之后加額定電流 3000 小時(shí)，測(cè)量光通量（或光功率）衰減要小于 4%,再加電流 3000小時(shí)，光通量衰減要小于 8%,再通電 4000 小時(shí)，共 1 萬小時(shí)，測(cè)得光通量衰減要小 于14%,即光通量達(dá)到初始值的 86%以上。此時(shí)才可證明確保 LED 壽命達(dá)到 5 10 萬小時(shí)。 方案二：加速（短期）壽命測(cè)試 方案二敘述：電 子器件加速壽命試驗(yàn)可以在加大應(yīng)力（電功率或溫度）下進(jìn)行試驗(yàn)，這里要討論的是采用溫度應(yīng)力的辦法，測(cè)量計(jì)算出來的壽命是 LED 平均壽命，即失效前的平均工作時(shí)間。采用此 方法將會(huì)大大地縮短 LED 壽命的測(cè)試時(shí)間，有利于及時(shí)改進(jìn)、提高 LED 可靠性。主要是引用“亞瑪卡西”（ yamakoshi）的發(fā)光管光功率緩慢退化公式，通過退化系數(shù)得到不同加速應(yīng)力溫度下 LED 的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再用“阿倫尼斯”（ Arrhenius）方程的數(shù)值解析法得到正常應(yīng)力（室溫）下的 LED 的平均壽命，簡(jiǎn)稱“退化系數(shù)解析法” ,該方法采用三個(gè)不同應(yīng)力溫度即 165℃、 175℃和 185℃下， 測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算出室溫下平均壽命的一致性。 方案一中試