【正文】 西華大學(xué)電氣信息學(xué)院智能化電子系統(tǒng)設(shè)計報告 目錄1 前言（緒論） 22 總體方案設(shè)計 3 4：長期壽命測試 4：加速（短期）壽命測試 4 43 單元模塊設(shè)計 5 5( Rθ ) 的測量 5 6 7 8 9 過零觸發(fā)電路設(shè)計 9 10 LED燈常用電路參數(shù) 10 10 13 ADM3251E 13 ADUC848 14 555芯片 15 174 軟件設(shè)計 18 PROTEL99 SE簡介 18 185 系統(tǒng)調(diào)試 196 系統(tǒng)功能及指標參數(shù) 20 20 20 20 數(shù)據(jù)處理方法 22 227 結(jié)論 238 總結(jié)與體會 249 參考文獻 25附錄1：相關(guān)設(shè)計圖 26附錄2：元器件清單表 27附錄3：相關(guān)設(shè)計軟件 281 前言（緒論）1986 年，在藍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)出了高亮度藍光發(fā)光二極管( LEDs) 。至今，人們?nèi)栽趯Ω吡炼人{光 LED 進行不斷地完善。在 1996 年，開發(fā)出了采用藍光 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 世紀照明 METI 國家(Akari) 項目是一項基于高效率白光 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，該項目于1998 年啟動，其第一階段的項目已于 2004 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)用范圍擴展到信號燈、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具有高可靠性和長壽命的優(yōu)點，在實際生產(chǎn)研發(fā)過程中，需要通過壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進行評價，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，為此我司在實現(xiàn)全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時，開發(fā)了LED芯片壽命試驗的條件、方法、手段和裝置等，以提高壽命試驗的科學(xué)性和結(jié)果的準確性。近些年來，LED 照明因具有許多優(yōu)點，例如長壽命、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一步改善，LED 開始被應(yīng)用于日常照明領(lǐng)域。對于普通照明設(shè)備而言, LED 有限的光通量是一個難以解決的問題。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，如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)力下的壽命試驗，很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評價，而我們試驗的主要目的是，通過壽命試驗掌握LED芯片光輸出衰減狀況，進而推斷其壽命。本設(shè)計介紹了LED芯片壽命試驗過程，提出了壽命試驗條件，完善的試驗方案，消除可能影響壽命試驗結(jié)果準確性的因素，保證了壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性。采用科學(xué)的試驗線路和連接方式，使壽命試驗臺不但操作簡便、安全，而且試驗容量大。2 總體方案設(shè)計 LED 的發(fā)光過程包括三個部分：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)光機理決定了它的發(fā)光壽命長達5 10萬個小時。LED 的壽命主要取決于 LED 芯片的質(zhì)量、芯片的設(shè)計和芯片的材料。直接影響 LED 壽命的關(guān)鍵因素有兩個：一是驅(qū)動電流的變化 —— 達到某個閾值以后，啟動 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其壽命也有很大的影響。LED 芯片對溫度異常敏感，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%的時間來定義其壽命。50%就是LED的半衰期，例如，φ5LED在室溫情況下，在20 mA電流驅(qū)動下的壽命為10萬小時，也就是說10萬小時后，其光通量還保持在原來的一半。 LED的半衰期與 PN 結(jié)結(jié)點的溫度的關(guān)系LED 的半衰期與 PN 結(jié)（Tj 點），其關(guān)系為 式中， Bt 為使用t后的光通量， Bo 為初始使用的光通量； e為對數(shù)常數(shù)；c為常數(shù)；t 為使用時間；k 為溫度。不管如何測量，半導(dǎo)體照明光源的壽命通常是比較長的，這對 LED 產(chǎn)品應(yīng)用來說是一個很有意義的因素。隨著使用時間的推移，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。如果其中一個LED損壞了也不會影響整個燈的繼續(xù)照明。LED燈的使用壽命還取決于每天工作多少小時如圖表 。每天工作時間5 萬小時等于10 萬小時等于每天24小時 年 年每天工作18小時 年 年每天工作8小時 年 年 LED 壽命與使用時間的關(guān)系必須指出，50 000 h 是 LED 在實驗室老化的預(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：長期壽命測試方案一敘述：為了確認LED燈具壽命是否達到5 10萬小時，需要進行長期壽命試驗，目前的做法基本上形成如下共識：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小時后，測得的光功率或光通量為初始值。之后加額定電流3000小時，測量光通量（或光功率）衰減要小于4%,再加電流 3000小時，光通量衰減要小于8%,再通電4000小時，共1萬小時，測得光通量衰減要小于14%,即光通量達到初始值的 86%以上。此時才可證明確保 LED 壽命達到5 10萬小時。：加速（短期）壽命測試方案二敘述：電子器件加速壽命試驗可以在加大應(yīng)力（電功率或溫度）下進行試驗，這里要討論的是采用溫度應(yīng)力的辦法，測量計算出來的壽命是LED平均壽命，即失效前的平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命的測試時間，有利于及時改進、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，簡稱“退化系數(shù)解析法”,該方法采用三個不同應(yīng)力溫度即165℃、175℃和185℃下，測量的數(shù)據(jù)計算出室溫下平均壽命的一致性。方案一中試驗周期長，需要電老化1000小時后，測得的光功率或光通量為初始值，之后加額定電流3000小時，測量光通量（或光功率）衰減要小于4%,再加電流 3000小時，光通量衰減要小于8%,再通電4000小時，共1萬小時，將近42天的時間，與本次設(shè)計所給時間沖突十分巨大，試驗過程將耗費諸多時間，故不宜采用此方案。方案二中在加大應(yīng)力（電功率或溫度）下進行試驗，這里要討論的是采用溫度應(yīng)力的辦法，測量計算出來的壽命是LED平均壽命，即失效前的平均工作時間。采用此方法將會大大地縮短LED壽命的測試時間，有利于及時改進、提高LED可靠性。能夠在本次設(shè)計所給時間中，較為準確的得到試驗的結(jié)果。綜上所述，本次設(shè)計將采用方案二進行以下設(shè)計。3 單元模塊設(shè)計( Rθ ) 的測量本實驗的目的在于得知工作條件與設(shè)備使用壽命之間的關(guān)系。工作條件中的兩個重要因素是驅(qū)動電流和結(jié)溫 Tj 。且結(jié)溫 Tj 通過Rθ (在pn結(jié)與銅板之間) 進行計算。因此,為了獲得可靠、準確的數(shù)據(jù), 可以用兩種方法對Rθ進行測量。一種是常見的電壓梯度法, 另一種是利用熱像儀。LED 模塊安裝在銅基電路板上。電路板的形成特別設(shè)計成開放式的, 因此其外殼直接用銅和焊料焊接。銅板通過熱導(dǎo)密封墊與熱沉相連。熱沉通過Peltier設(shè)備來控制溫度。 熱阻測量裝置可以對結(jié)溫 Tj 進行了常規(guī)測量。在外殼中串聯(lián)有5個芯片。再對連接在一起的5個芯片逐一進行測量。每一個芯片內(nèi)部的溫度分布情況并不完全一致。因此我們用平均值作為最終測