LED测试方法及测试内容

LED 测试方法及要求
半导体发光二极管（led）是新型的发光体，电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保，是下一代理想的照明器件。

LED光电测试是检验LED光电性能的重要而且唯一的手段，相应的测试结果是评价和反映当前我国LED产业发展水平的依据。

制定LED光电测试方法的标准是统一衡量LED产品光电性能的重要途径，是使测试结果真实反映我国LED产业发展水平的前提。

本文结合最新的LED测试方法的国家标准，介绍了LED的光电性能测试的几个主要方面。

一、引言
半导体发光二极管（LED）已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、背光源、车载光源等场合，尤其是白光LED技术的发展，LED在照明领域的应用也越来越广泛。

但是过去对于LED的测试没有较全面的国家标准和行业标准，在生产实践中只能以相对参数为依据，不同的厂家、用户、研究机构对此争议很大，导致国内LED产业的发展受到严重影响。

因此，半导体发光二极管测试方法国家标准应运而生。

二、LED测试方法
基于LED各个应用领域的实际需求，LED的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。

1、电特性
LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。

由图1可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。

通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。

图1：LED伏安特性曲线
LED电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行测试。

2、光特性
类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。

（1）光通量和光效
有两种方法可以用于光通量的测试，积分球法和变角光度计法。

变角光度计法是测试光通量的最精确的方法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。

如图2所示，现有的积分球法测LED光通量中有两种测试结构，一种是将被测LED放置在球心，另外一种是放在球壁。

图2：积分球法测LED光通量
此外，由于积分球法测试光通量时光源对光的自吸收会对测试结果造成影响，因此，往往引入辅助灯，如图3所示。

图3：辅助灯法消除自吸收影响
在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得LED的发光效率。

而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。

（2）光强和光强分布特性
图4：LED光强测试中的问题
如图4所示，点光源光强在空间各方向均匀分布，在不同距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结果都不会改变，但是LED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化。

因此，CIE-127提出了两种推荐测试条件使得各个LED在同一条件下进行光强测试与评价，目前CIE-127条件已经被各LED制造商和检测机构引用。

图5：CIE-127推荐LED光强测试条件
（3）光谱参数
LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。

单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。

所有LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示，而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数。

光谱功率分布的测试需要通过分光进行，将各色光从混合的光中区分出来进行测定，一般可以采用棱镜和光栅实现分光。

图6：白光LED光谱功率分布
3、开关特性
LED开关特性是指LED通电和断电瞬间的光、电、色变化特性。

通过LED开关特性的测试可以获得LED在通断电瞬间工作状态、物质属性等的变化规律，由此不仅可了解通断电对LED的损耗，也可用以指导LED驱动模块的设计等。

4、颜色特性ONq=bI*
LED的颜色特性主要包括色品坐标、主波长、色纯度、色温及显色性等，LED 的颜色特性对白光LED尤为重要。

现有的颜色特性测试方法有分光光度法和积分法。

如图7所示：分光光度法是通过单色仪分光测得LED光谱功率分布，之后利用色度加权函数积分获得对应色度参数；积分法是利用特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数；分光光度法的准确性要大大高于积分法。

图7：LED颜色特性测试方法
5、热学特性
LED的热学特性主要指热阻和结温。

热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比。

结温是指LED的PN结温度。

LED的热阻和结温是影响LED 光电性能的重要因素。

现有的对LED结温的测试一般有两种方法：一种是采用红外测温显微镜或微型热偶测得LED芯片表面的温度并视其为LED的结温，但是准确度不够；另外一种是利用确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定LED的结温。

6、可靠性
LED的可靠性包括静电敏感度特性、寿命、环境特性等。

静电敏感度特性是指LED能承受的静电放电电压。

某些LED由于电阻率较高，且正负电极距离很短，若两端的静电电荷累积到一定值时，这一静电电压会击穿PN结，严重时可将PN结击穿导致LED失效，因此必须对LED的静电敏感度特性进行测试，获得LED的静电放电故障临界电压。

目前一般采用人体模式、机器模式、器件充电模式来模拟现实生活中的静电放电现象。

为了观察LED在长期连续使用情况下光性能的变化规律，需要对LED进行抽样试验，通过长期观察和统计获得LED寿命参数。

对于LED环境特性的试验往往采用模拟LED在应用中遇到的各类自然侵袭，一般有：高低温冲击试验、湿度循环试验、潮湿试验、盐雾试验、沙尘试验、辐照试验、振动和冲击试验、跌落试验、离心加速度试验等。

三、国家标准的制定
总结以上测试方法，半导体发光二极管测试方法国家标准对LED电特性、光学特性、热学特性、静电特性及寿命测试都作了相应的规定。

对于电特性测试，标准分别规定了LED正向电压、反向电压、反向电流的测试框图；对于光通量测试，标准规定采用2π立体角测试结构；对于光强测试，标准引用了CIE-127的推荐条件；此外，对光谱测试、热学特性测试、静电放电敏感度测试、寿命测试等都作了明确的规定。

四、结论
国家标准的制定总结了现有LED的测试方法，将其中的科学适用的方法升级为标准测试方法，很好地消除了各界在LED测试领域存在的分歧，也使测试结果更加真实地反映我国LED产业的整体水平。

但是鉴于LED技术还在处于不断地发展之中，国家标准的制定并不是一劳永逸的，应当时刻将最新最合适的测试技术引入标准之中。

LED电源采用恒压还是恒流？
LED串并联使用方法
2011-05-18 15:39
LED串并联使用方法：
（1）大功率LED的工作电流通常有350mA、700mA和1000mA等不同，对于这些大功率LED工作时，应当在每一串LED中都用恒流驱动方式，也就是说大功率LED绝不建议采用直接并联的方式。

如因电路结构的不同，确实需要采用“并联”的模式，必须才用多路恒流电路分别控制每串的LED，否则极易产生并联LED 的亮度与发热不均现象。

（2）在使用较多的小功率LED，如￠5mm进行串并联的时候，不建议使用恒流源供电，而应该采用稳压源，并且每串LED都必须串联适当的的电阻以分压，同时平衡各串的电流。

（3）当存在多个并联支路的情况下采用一路的恒流源，首先由于LED的VF差异，无法保证每一路电流的平衡，甚至出现严重不良后果；其次，当一路发生开路时，该路的电流会分到其他路上，使得其他支路的电流增大，加速其他的寿命衰减或损坏。

（4）由于LED并不是十分要求电流的稳定，在适当范围的电流波动造成的光强波动，人眼基本上是感觉不到的。

之所以提出要用恒流，是因为电压的较小变动会引起电流较大的变动。

尤其对于大功率LED，采用恒流电源，是为了批量生产的适应性，并不表示非恒流源而不能使LED安全工作。

现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法，有人说：在LED的伏安特性上，电压定了，电流也就定了。

所以采用恒压和恒流效果是一样的。

有人说LED 并联时就应该采用恒压电源供电，而LED串联时就应该采用恒流电源供电；有人说，因为LED是恒流器件，所以要用恒流源供电；有人说，采用市电供电时就应该采用恒压电源供电，采用蓄电池供电时，就应该采用恒流电源供电。

至于为什么这样要求，似乎谁也说不明白。

那么，到底是应该采用恒压电源，还是恒流电源供电呢？首先来看一下LED到底是什么样的器件。

因为LED的亮度是和它的正向电流成正比，而且一些LED的结构决定了它的散热也就是功耗。

所以大多数LED会给出额定电流，例如Φ5为20mA，1W的为350mA…等，但这并不等于LED只能工作于这些额定电流，更不意味着LED就是一个恒流器件。

例如Cree的1瓦LED和3瓦LED是同一型号，电流从350mA加大到700mA，功率就从1W加大成3W，所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。

要深入了解这个问题首先要知道LED的伏安特性。

1．LED的伏安特性
LED的中文名字就是发光二极管，所以它本身就是一个二极管。

它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。

只不过通常曲线很陡。

例如一个20mA的草帽LED的伏安特性如图1所示。

图1.小功率LED的伏安特性假如用干电池或蓄电池供电，那么因为LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，上图中电源电压在3.3V时正向电流为20mA的LED，如果用3节干电池供电，新的电池电压超过1.5V，3节就是4.5V，LED的电流就会超过100mA，很快就会烧坏。

对于1W的大功率LED也是如此，图2是某公司1W的LED伏安特性，而一个12V蓄电池的电压，在充满电到快放完电的电压可以从14.5V降到10.5V。

相差将近20%。

从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化（3.4V-3.1V），就会引起正向电流的3.5倍的变化（从350mA变到100mA）。

图2.1W大功率LED的伏安特性
2．伏安特性的温度系数
到现在为止，还有很多人以为LED电压定了，电流也就定了，所以采用恒压和恒流是一样的。

实际上，LED的伏安特性并不是固定的，而是随温度而变化的，所以电压定了，电流并不一定，而是随温度变化的。

这是因为是LED是一个二极管，它的伏安特性具有负温度系数的特点
图3.伏安特性的温度特性温度系数通常是-2mV/度（-1.5—2.5mV/°C）,也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会增加。

而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。

假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。

电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。

而且如果不用恒流源而用恒压源供电时，常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会降低至
8-10mA,亮度会降低。

对于1W的大功率LED芯片，情况也是一样，而且由于功率大，散热更不容易，温升问题更加严重。

可以说，除了散热问题以外，采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因。

所以原则上来说，LED是禁止采用恒压电源供电的。

3.用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流？
串联电阻只有限流的作用，也就是如果电源电压比LED串联以后的电压还要高，那么就需要串联电阻来限流，以免损坏LED。

但是如果想要用串联电阻来减小温度的影响，它的作用是很小的，这可以从伏安特性上看出，串联电阻以后的确可以减小温升带来的电流升高，电阻越大，电流随温度变化越小，但是只是减小，并不能消除。

而且很明显，电阻将带来额外的功耗，使得LED的总体效率降低。

假定所用的LED为1W的LED，其电流为0.35A。

假定串联的电阻为100欧姆，所消耗的功率就高达12.25W显然是不能接受的，即使把电阻降低到10欧姆，其功耗仍然有1.225W。

比LED本身的功耗还要大。

为了减小这种功耗，就必须把电阻再减小。

然而，减小电阻的结果是使得由温升所引起的电流变化还是照样加大。

所以，串联电阻决不是一个好办法。

图4.串联电阻只能减小温度的影响，而不能消除其影响
4．几个LED并联，能不能用恒压电源？由于LED伏安特性的离散性，不但不同厂家生产的同样瓦数的LED伏安特性不一样，就是同一厂家生产的同一型号的LED其伏安特性也是不同的。

图5.不同厂家和同一厂家生产的LED伏安特性的离散性
很明显，假如用恒压电源3.4V供电，显然流过每个LED的电流都不一样，每个LED的亮度也就不一样。

所以不能采用恒压电源供电。

5.多个LED并联后，采用恒压电源供电，能不能用不同的串联电阻来使电流平衡？
在常温下是可以的，但在温升以后就不能保持了。

图6中就显示了这个问题，常温下的LED伏安特性以实线表示，两个LED的伏安特性在斜率上略有区别，在用恒压电源Vo供电时，选用不同的电阻，可以得到同样的正向电流Io。

但是当温度升高时，其伏安特性左移，如虚线所示。

因为还是原来的恒压和原来的电阻，此时的电流却变成了I1和I2。

不等于原来的Io了。

图6.串联电阻可以在常温下保持其电流不变，但在温升以后就不能保持电流平衡。

6.N个LED串联后，假如用恒压电源供电，其温度效应（由温升而引起的电流增加）将会扩大N倍，这是因为所有LED串联以后相当于各个LED的伏安特性沿电压轴串联
图6.多个LED串联，相当于多个伏安特性在恒流点叠接，加电以后温度上升，所有伏安特性左移。

温升以后，N个伏安特性都左移，就使电流的增加也加大了N倍。

如果采用恒流电源供电，那么温升以后，仍然能够保持电流恒定为Io。

7.多个LED串联时，采用恒流电源供电时，可以利用伏安特性的温度效应推测其结温的上升度数
在很多应用中（例如日光灯、路灯），往往将很多LED串联，这时候，LED的温度系数效应就更加明显。

因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个LED
的伏安特性沿电压轴叠加。

假如温升为60度，那么伏安特性将会向左偏移0.12V，如果10个LED串联，所有伏安特性全部左移，总偏移就会达到1.2V。

这是相当可观的数字。

反过来也可以利用LED的这种特性来测量其结温，例如有一个10串3并的LED组合，在接上恒流电源以后，测得其正向压降从32.3V降低到30.6V。

变化达1.7V。

那么可以推测其结温升高为1.7/10/.002=85度
8.恒流供电时，在串并联电路中如何保证每串的电流均衡
假如用恒流电源只供给一串LED，那当然是最理想的了。

但是，假如要供给几串并联的LED那如何能保证每串中的电流一样呢？是的，假如用恒流源供给几串并联的LED，由于LED伏安特性的离散性，各串的电流是一定不一样的。

但是实际上，由于各串LED不大可能某一串里都是正向电压偏低的，另一串里都是正向电压偏高的。

而是会相对均匀分布，所以各串之间的电流不会相差很大。

9．在恒流供电的串并联电路中，如何避免因某个LED损坏所引起的问题
假如只是两串并联，而且其中某一串的一个LED坏了（开路），这时候不但这一串不亮，而且所有的电流都会流到另一串，使得另一串的电流加大一倍，用不了多久也会坏掉。

为了避免一个坏了一串不亮，那么可以采用全部并串联的方法，也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样位置的LED并联。

这样，任何一个坏了（开路），只是这一个不亮，其余的LED仍然都亮。

但是假如并联的LED
只有两串，其中有一个LED开路了，电流就都流到和它并联的另一个LED中去，它的电流也加大一倍，使得这一个LED寿命不长，很快烧掉；假如烧坏是开路，那么就会导致所有LED全部不亮，但其它的LED损害并不严重，因为没有长期工作于过流状态。

为了减小某一个LED损坏以后对其它LED的影响，希望并联的LED串数越多越好。

图7中画出了3串5并而且同行相并的图。

这时候，某一个LED坏了，总电流分散到其余的4个LED中，总电流在每一行所有并联的LED中分配，正向电压偏低的LED分到的电流就会大一些。

但不致造成太大的危害。

图7.三串五并中的每一个LED都和其它串中同样位置的LED相并联
而且只是这一行的电流分到其余4路中去，而其它几行都还是和原来一样。

假如LED坏的时候是短路而不是开路，那么这一行的其它几个LED就都不亮了。

当然为了避免这个现象，最好的办法是在每个LED上都并联一个稳压管，而各串之间不要并联。

这时候任何一个LED坏了（开路），稳压管就导通，电流的分配关系变化很小。

短路则就是少一个LED发光。

图7.每个发光二极管都并联一个稳压管
采用这种方法以后，就不需要再同行并联了。

结构任何一个坏了（开路）任何一个坏了（短路）
单独一串这一串开路不亮这一个不亮
两串并联这一串不亮，另一串所有LED电流加
倍，寿命缩短，很快都坏
这一个不亮，这一串
电流略为加大
两串中两两并联这一个不亮，同行另一个电流加倍，
很快坏掉；如为开路，所有不亮，如
为短路这一行两个LED不亮
这一个不亮，和它并
联的另一个也不亮
N串同行并联这一个不亮，同行其余电流加大N/
（N-1）倍， N越大越安全
这一个不亮，和它并
联的其它各个也都
不亮
每个LED并联
稳压管，各串并
联
只是这一个不亮，对其它影响不大只是这一个不亮
那么是不是恒压电源在LED照明中就无用武之地了呢？完全不是这样。

10．在市电LED路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电
任何市电供电的系统里，都需要一个AC/DC的开关电源。

有两种供电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流恒定。

但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流的精度不高。

还有一种是，前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流精度也高。

例如一个150W-300W的市电LED路灯供电方案图如下：而且，这种结构的最大优点是可以程序调光，可节省能源达40%以上。

变压器绕法
高频变压器的两种基本绕法：顺序绕法和三明治绕法。

普通顺序绕法：
一般的单输出电源，变压器分为3个绕组，初级绕组Np,次级绕组Ns,辅助电源绕组Nb，绕制的顺序是：Np--Ns--Nb
此种绕法工艺简单，易于控制磁芯的各种参数，一致性较好，绕线成本低，适用于大批量的生产，但漏感稍大，而耦合电容小，EMI比较好故适用于对漏感不敏感的小功率场合，一般功率小于30~40W的电源中普遍实用这种绕法。

三明治绕法：
三明治绕法久负盛名，几乎每个做电源的人都知道这种绕法，但真正对三明治绕法做过深入研究的人，应该不多
相信很多人都吃过三明治，就是两层面包中间夹一层奶油。

顾名思义，三明治绕法就是两层夹一层的绕法。

由于被夹在中间的绕组不同，三明治又分为两种绕法：初级夹次级，次级夹初级。

第一种，初级夹次级的绕法（也叫初级平均绕法）
如上图，顺序为Np/2-Ns-Np/2-Nb，此种绕法有量大优点
这样有利于初次级的耦合，减少漏感；还有利于绕线的平整度；最后一个好处是，供电绕组电压变化受次级的负载影响较小，更稳定。

由于增加了初次级的有效耦合面积，可以极大的减少变压器的漏感，而减少漏感带来的好处是显而易见的：漏感引起的电压尖峰会降低，这就使MOSFET的电压应力降低，同时，由MOSFET与散热片引起的共模干扰电流也可以降低，从而改善EMI；
由于在初级中间加入了一个次级绕组，所以减少了变压器初级的层间电容，而层间电容的减少，就会使电路中的寄生振荡减少，同样可以降低MOSFET与次级整流管的电压电流应力，改善EMI。

缺点：由于初次级有两个接触面，绕组耦合电容比较大，所以EMI又比较难过。

第二种，次级夹初级的绕法（也叫次级平均绕法）
如上图，顺序为Ns/2,Np,Ns/2,Nb。

当输出是低压大电流时，一般采用此种绕法，其优点有二：
1、可以有效降低铜损引起的温升：由于输出是低压大电流，故铜损对导线的长度较为敏感，绕在内侧的Ns/2可以有效较少绕线长度，从而降低此Ns/2绕组的铜损及发热。

外层的Ns/2虽说绕线相对较长，但是基本上是在变压器的外层，散热良好故温度也不会太高。

2、可以减少初级耦合至变压器磁芯高频干扰。

由于初级远离磁芯，次级电压低，故引
起的高频干扰小。