【正文】 .........................................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(yè) 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(kāi)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。 21 世紀(jì)照明 METI 國(guó)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。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。 近些年來(lái)， 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。在其光效有所提高后， LED 被應(yīng)用于顯示器中。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(wèn)題。這將導(dǎo)致 LED 產(chǎn)生熱量、溫度升高 , 損壞LED 模塊。 本設(shè)計(jì) 介紹了 LED 芯片壽命試驗(yàn)過(guò)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。 第 3 頁(yè) 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(guò)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。 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。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。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(lái)定義其壽命。 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。 隨著使用時(shí)間的推移，LED的光衰量非常小。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。 每天工作時(shí)間 5 萬(wàn)小時(shí)等于 10 萬(wàn)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(yè) 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。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(wàn)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(kāi)始的輸出光功率不穩(wěn)定，所以按美國(guó) 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。此時(shí)才可證明確保 LED 壽命達(dá)到 5 10 萬(wàn)小時(shí)。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。 方案一中試驗(yàn)周期長(zhǎng)， 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(wàn)小時(shí)， 將近 42 天的時(shí)間，與本次設(shè)計(jì)所給時(shí)間沖突十分巨大，試驗(yàn)過(guò)程將耗費(fèi)諸多時(shí)間，故不宜采用此方案。 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。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)將采用方案二進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。工作條件中的兩個(gè)重要因素是驅(qū)動(dòng)電流和結(jié)溫 Tj 。因此 ,為了獲得可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù) , 可以用兩種方法對(duì) Rθ進(jìn)行測(cè)量。 LED 模塊安裝在銅基電路板上。銅板通過(guò)熱導(dǎo)密封墊與熱沉相連。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖 所示。在外殼中串聯(lián)有 5 個(gè)芯片。每一個(gè)芯片內(nèi)部的溫度分布情況并不完全一致。 利用這種方法必須去除熒光板、光學(xué)組件和底部填充劑 , 直接確定芯片內(nèi)的溫度分布情況。對(duì)熱傳導(dǎo)過(guò)程的計(jì)算證實(shí)幾乎所有的熱量是通過(guò)金質(zhì)凸點(diǎn)而非硅樹(shù)脂來(lái)傳導(dǎo)的。 Rθ = ℃ /W。我們利用這兩種方法測(cè)得的熱阻值完全一致。 再利用熱像儀分別對(duì) 1塊芯片和 5塊芯片進(jìn)行測(cè)量 , 其測(cè)量結(jié)果是在同位置測(cè)量到的 Rθ值的 倍。通過(guò)熱像儀所測(cè)得的此數(shù)值為 ℃ /W。 結(jié)溫測(cè)量 結(jié)溫測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖 所示。 LED支架可以方便的固定 LED ( 2 ) 圖 熱阻測(cè)量裝置 第 6 頁(yè) 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 以及測(cè)量電路和熱電阻 ( 3 ) ( Pt100 標(biāo)準(zhǔn)熱電阻 ) 。電源 ( 5 ) ( SS P3112 光譜儀的穩(wěn)流電源 ) 給 LED提供恒定直流。 LED 發(fā)出的光通過(guò)透鏡 ( 7 ) 匯聚后 ,透過(guò)恒溫箱的玻璃 窗口 ( 8 ) ,進(jìn)入光譜儀 ( 9 ) ( SSP 3112 光譜儀 )的積分球。 所以可以通過(guò)測(cè)量正向電壓確定結(jié)溫 : Tj = T0 +（ Vt V0） /K 其中 T0 是作為參考的環(huán)境溫度 , V0 是在 T0 下的初始電壓 。整個(gè)測(cè)量過(guò)程中 ,電流要保持恒定。選擇靠近擬合直線的測(cè)量點(diǎn)(95. 0 ℃ , 3. 805 V)作為參考點(diǎn) ,實(shí)驗(yàn)中 LED 通電后穩(wěn)定時(shí)的結(jié)溫可以由下面的公式來(lái)確定 :Tj = [ (Vj ) ] ℃ 圖 測(cè)量結(jié)溫的裝置 第 7 頁(yè) 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 光通量的測(cè)量 光通量的有積分球法和變角光度計(jì)法兩種方法。用積分球法測(cè) LED 光通量時(shí)有兩種測(cè)試結(jié)構(gòu) ：一種是將被測(cè) LED 放在球心；另外一種是將其放在球壁。而且入射光之入射角度、空間分布、以及極性都不會(huì)對(duì)輸出的光束強(qiáng)度和均勻度造成影響。 串口電路的設(shè)計(jì) 圖 串口電路原理圖 圖 積分球法測(cè) LED光通量 第 8 頁(yè) 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 溫度控制和報(bào)警電路設(shè)計(jì) 圖 過(guò)零觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 圖 過(guò)零觸發(fā)電路設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 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 LED燈 常用電路參數(shù) 1．正向工作電流 IF。因此，可以通過(guò)正向工作電流說(shuō)明 LED的發(fā)光強(qiáng)度，或者就把它作為 發(fā)光強(qiáng)度的一種間接表示。 2．正向工作電壓 UF。 UF 隨IF的變化而稍有變化，并且隨溫度的上升 UF有所下降。 3．反向漏電流 IR。 4． PN 結(jié)電容 CJ 。結(jié)電容對(duì)于LED 在高頻下工作有較大的影響。當(dāng) LED在脈沖電流驅(qū)動(dòng)下工作時(shí)，在脈沖的上升沿從受激輻射開(kāi)始達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度 穩(wěn)定值的 90％為止所需要的時(shí)間。當(dāng) LED 在脈沖電流驅(qū)動(dòng)下工作時(shí)，在脈沖的下降沿從受激輻射結(jié)束到發(fā)光強(qiáng)度下降至穩(wěn)定值的 10％為止所需要的時(shí)間。 LED 的， IU 特性具有非線性和單向?qū)щ娦裕赐饧诱珘罕憩F(xiàn)為低電阻，反之為高電阻，如圖 所示。時(shí)，外加電場(chǎng)尚未克服少數(shù)載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí)電阻 R 很大；對(duì)于不同 LED，開(kāi)啟電壓不 同。 在 U0，且 UUF的正向工作區(qū)， IF近似隨 UF 指數(shù)上升： KTqUSF FeII /? (32) FI 是指 LED 正常發(fā)光時(shí)的正向電流值，在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇 FI 在 FMAXI ( FMAXI 為最大正向工作電流 )以下。 LED的 FU 為 — 3V。 由于 LED的主要功能是發(fā)光，因此正向特性十分重要，而反向特性意義不大，所以 LED的伏安特性一般就是指它的正向特性。 圖 LED 正向伏安特性曲線 從 LED 的伏安特性曲線及模型看， LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起電流的很大變化，而且環(huán)境溫度、老化時(shí)間等因素也將影響 LED的電氣性能。若 LED 電流失控，則 LED 長(zhǎng)期工作在大電流下將影響其可靠性和壽命，甚至造成LED 失效。 反向擊穿區(qū)： UUR， UR稱(chēng)為反向擊穿電壓；與 UR對(duì)應(yīng)的電流 IR為反向漏電流。由于所 用化合物材料種類(lèi)不同，各種 LED的 UR 也不同。 C— U 特性呈二次函數(shù)關(guān)系，如圖 。 圖 LED 的 CU 特性曲線 允許功耗 P：假設(shè)流過(guò) LED 的電流為 IF，管壓降為 UF，則功率消耗為 P=UFIF。若結(jié)溫為 Tj外部環(huán)境溫度為 Ta則當(dāng) TjTa 時(shí)，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量 (功率 )可表示為 P=KT(Tj— Ta) (33) 響應(yīng)時(shí)間： LED 的響應(yīng)時(shí)間是標(biāo)志反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其是在脈沖驅(qū)動(dòng)或電壓調(diào)制時(shí)顯得非常重要。響應(yīng)時(shí)間用于表征某一顯示器跟蹤外部信息變化的快慢。直接躍遷的材料 (如 GaAs_x Px)的響應(yīng)時(shí)間僅為幾納秒，而間接躍遷材料 (如 GaP、的響應(yīng)時(shí)間則是 100ns。 LED電參數(shù)的測(cè)量，與一般二極管的測(cè)量方法相同，在規(guī)定測(cè)試條件下，采用電壓表一電流表的方法即可。在 LED 顯示屏規(guī)模較大時(shí)，使用晶體管顯示儀進(jìn)行測(cè)量更為方便。 ADM3251E 內(nèi)部集成了隔離電源 DCDC轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)隔離通道以及一路 RS232 收發(fā)器。 15KV 的 ESD 保護(hù)，因此適用于極端的電力環(huán)境和任何可以適用 RS232 收發(fā)器的場(chǎng)合。所以，在性能、功耗、體積等各方面都有傳統(tǒng)光電隔離器件（光耦）無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也消除了光電耦合中不穩(wěn)定的電流傳輸率，非線性傳輸，溫度和使用壽命等方面的問(wèn)題。 ADM3251E 是寬體 SOIC20封裝，工作溫度為 40℃到 +85℃。 圖 ADM3251E 引腳圖 第 13 頁(yè) 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 ADUC848 ADuC848 是 ADI公司新推出的嵌有單指令周期 8052 閃存 MCU、帶兩路 24 位Δ ∑ A/D、雙 12 位 D/A 以及兩個(gè)靈活脈寬調(diào)制輸出的高性能 24 位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)芯片。 ADuC848 是 ADI 公司新推出的高性能 24 位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它內(nèi)部集成有兩個(gè)高分辨率的Δ ∑ ADC、 10/8 通道輸入多路復(fù)用器、一個(gè) 8 位 MCU 和程序 /數(shù)據(jù)閃速 /電擦除存儲(chǔ)器。 ADuC848 可通過(guò)一個(gè)片內(nèi)鎖存環(huán) PLL 產(chǎn)生一個(gè) 的高頻時(shí)鐘，以使之運(yùn)行于 32kHz 外部晶振。片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單