LED热分析实验系统中光功率测量模块的设计

谷承儒 张建新 薛亮 赵政 邹正阳 颜会芬 任钊杰 李锐

摘 要：光功率测量是对LED光学和热学性能进行评价与分析的必备环节。为了搭建学生教学使用的LED热分析实验系统，设计了一款LED光功率采集模块。该模块的光学腔能为LED提供散热组件，并可排除光信号被硅PIN光电二极管采集时的光线干扰问题，输出可靠的电流信号，进而被后续的对数放大电路转化为电压信号。该电压信号在STM32F103主控芯片的定时控制下，被A/D转换器处理成数字信号，并实时上传至计算机软件。在采集电压的数据处理中，平滑处理可进一步滤除信号噪声，参照焊点温度的拟合处理可实现采集电压与光功率的对应校准。本模块设计简洁，成本低廉，测量速度快，分辨度良好，非常适合在LED散热相关课程的实验教学中推广使用。

关键词：光功率测量 LED 光电二极管 对数放大电路

中图分类号：TH741 文献标识码：A 文章编號：1672-3791（2018）04（c）-0099-04

Abstract：Optical power measurement is an essential test for the analysis and evaluation of LED optical and thermal performance. In order to set up an experimental system of LED thermal analysis， an optical power measurement module was designed and implemented. In the measurement module， optical cavity provides heat sink for LED cooling and eliminates light interference in the process of light signal acquisition by Si-PIN photodiode. The output current signal of Si-PIN photodiode can be converted to voltage signal by logarithmic ratio amplification circuit. Under the control of STM32F103 devices， the analog voltage signal can be converted to digital voltage signal through A/D converter and transmitted to computer soft via serial port. In data processing of acquired voltage， appropriate data smoothing can remove the noise in signal， the fitting formula based on solder joint temperature by linear regression analysis can be used to calibrate the relationship between acquired voltage and optical power. The optical power measurement module has some advantages such as simple structure， low cost， high measure speed， and higher resolution. Therefore， the measurement module is worth to widely apply in experimental teaching of related courses.

Key Words：Optical power measurement； LED； Photodiode； Logarithmic ratio amplification circuit

大功率LED凭借高光效、长寿命、绿色节能、快速响应、结构紧凑等优点，已被作为新一代节能光源而大力推广到照明、装饰和显示等领域[1-2]。在LED的实际应用中，其输出光功率的大小不仅是判断电光转换效率和节能程度的重要指标，而且由于LED对温度十分敏感，在对其进行热阻测量和散热性能分析时，也必须同时测得光功率随LED温度的变化趋势，以及LED在不同工作状态下热功率（热功率等于电功率与光功率的差值）的具体数值[3]。因此，光功率是LED产品在研发、制造及质检等环节中用于性能评价的基本参数之一。

在LED的实际生产与性能研究中，光功率可通过积分球设备准确测得，但积分球并不能同步测量LED的热学数据。若光功率与热学数据在不同设备中分别测得，势必会造成光、电、热参数在测量条件上不能保持一致，而这种不一致也将导致在热学分析时产生较大的误差。此外，积分球设备缺少控温装置，会使LED在点亮初期出现快速的温度攀升，而积分球的测量速度较慢，并不能准确采集某一时刻的真实光功率数值。再者，积分球设备属于精密检测仪器，售价较高，需专人操作，不适合学生实验教学使用。

为了搭建一套适合学生教学的LED热分析实验系统，本文选用STM32F103作为主控芯片（MCU），并基于对数放大电路设计一款带光学腔的LED光功率采集模块，使其能够快速采集LED的光信号，并通过必要的数据处理，获得LED不同工作状态下的光功率数值。

1 LED及其光功率测量原理

光功率测量模块的应用对象为CREE公司生产的XLamp 7090XR-E型LED灯珠，它能适应200～750mA大范围的电流变化，只需调节LED的驱动电流IF，就可以输出一系列变化分明且稳定的光功率PL。

LED光功率测量模块的工作原理如图1所示。当LED被点亮工作后，其光信号在无外界光干扰和本身出光的反射干扰的光学腔内，被光电二极管接收并转变为电流信号，该电流信号再经过对数放大电路转化为电压信号。操作者可通过计算机软件设定光功率测量的起止时间和采样间隔等参数，使MCU遵照该设定参数控制A/D转换器采集对数放大电路输出的电压信号，并处理成数字信号，MCU再将数字信号经串口传输给计算机软件，最终由软件完成数据处理，并将测量结果展示给操作者。

2 光功率测量模块的硬件设计

2.1 光学腔的设计

光学腔主要是为LED向光电二极管传递光信号的过程提供一个尽可能排除光线干扰的环境，其设计模型如图2所示。光学腔主要由亚克力板粘接成方形结构，其顶部设置有密封盖，方便光电二极管、LED及其散热组件的安装与更换。光学腔的左右两侧分别是带散热器的LED和光电二极管，二者在光学腔内处于正相对位置。为了尽可能减少光线干扰，光学腔的所有内壁均粘贴黑色植绒布。

2.2 光电二极管的选择

光电二极管是一种将光信号轉变成电流信号的光电传感器件，其输出电流值与被测光源的光功率大小存在明确的正比关系。目前，能用于可见光探测的光电二极管主要有：PN型、PIN型和雪崩型。其中，PN型的响应速度过低，不满足LED光功率的快速采集要求；雪崩型虽响应速度很快，但具有显著的倍增效应，在大功率LED的光照下极易产生大电流而被烧毁；PIN型光电二极管具有适中的响应速度和输出电流，且工作参数的温度稳定性较好，符合本设计的选型要求。

此外，本文主要针对波长在380～780nm范围的白光LED进行光功率测量，而硅PIN光电二极管在该波长区域的响应度较高，约在0.1～0.6A/W[4]，且对于较宽的发光光谱也有着良好的测量灵敏度和很低的暗电流及噪声[5]，因此本文选用硅PIN光电二极管作为光信号的采集器件。

2.3 对数放大电路的设计

在电流信号向电压信号的转化环节，本设计采用了专门提供光电二极管接口的AD8304芯片。该芯片能将光电二极管的微小电流依照对数比放大并转化成电压信号，这种对数放大模式可以获得很大的动态范围，能够提高较低分辨率的信号采集精度，并且芯片内部集成了温度补偿电路，可减少温漂影响，提高信号的转换精度和稳定度[6]。

2.4 MCU控制下的信号采集与A/D转换

本设计选用的MCU内部已含有12位逐次逼近型的A/D转换器，该A/D转换器可以在MCU的控制下，将对数放大电路输出的电压模拟信号转换成数字信号，其转换精度基本满足设计需求。由于LED在点亮初期的温升很快，为了及时捕捉快速温升下的光功率变化数据，本设计在计算机软件界面上为MCU设定的采样时间间隔为1s，总体采样时间为20min。当每次采样结束后，MCU都会通过串口将A/D转换得到的电压数字信号上传给计算机软件，并自动存储在数据文件中。

3 光功率测量的数据处理

3.1 采集电压数据的平滑处理

图4是LED光功率测量模块搭建完毕后的实物照片，图5是以LED驱动电流IF=550mA为例，测量模块中LED的焊点温度TR以及采集电压Vout的原始数据和平滑处理后的数据分别随LED工作时间的变化趋势。由图5可以看出，随着LED工作时间的延长，焊点温度TR先是快速上升，再缓慢达到平衡；采集电压Vout的原始数据与TR的变化趋势相反，完全符合光功率随LED温度升高而下降的变化趋势。虽然对数放大电路中采用了基本的滤波措施，但Vout的原始数据仍然不够稳定，需要在计算机软件中实施平滑处理，从而进一步滤除信号噪声。

3.2 由采集电压向光功率的校准处理

为了将采集电压Vout与LED的光功率PL进行对应校准，首先在本设计的光功率测量模块中获得了LED不同驱动电流下采集电压Vout与焊点温度TR的关系曲线（见图6），然后将同一颗LED连同散热器一起转移至积分球中，再一次测量该LED在不同驱动电流下光功率PL与焊点温度TR的关系曲线（见图7）。

通过对图6和图7中的每一种驱动电流情况下的测量数据进行线性拟合，分别获得采集电压Vout与焊点温度TR的关系式以及光功率PL与焊点温度TR的关系式。同样以LED驱动电流IF=550mA的情况为例，线性拟合得到的两种公式分别如下：

按照上述方法，可获得所有驱动电流下光功率PL随采集电压Vout而变化的关系式，并且为了直观显示二者的对应关系，将其散点数据展示在图8中。由图8可以看出，不仅在不同驱动电流情况之间，而且在同一驱动电流时的不同温度情况下，测量结果均具有较为明显的光功率分辨度，能够在将其用于搭建学生教学使用的LED热分析实验系统时，有助于学生理解和熟悉LED温度对光功率的影响趋势，并能为后续的LED热性能分析提供较为正确的光功率数值。

值得注意的是，由于出产厂家或生产批次不同的白光LED通常会具有不同出光光谱，在更换实验样品时，需要再次进行校准处理。

4 结语

本文设计了一款带有光学腔的LED光功率采集模块。其中，光学腔不仅可以抑制光信号采集时的光线干扰，而且能为LED提供散热组件，可降低LED的温升速度，并保障其正常工作。选用的硅PIN光电二极管可将采集的LED光信号转变为电流信号，再经过基于AD8304的对数放大电路，进一步将电流信号放大并转化成电压信号。该电压信号在MCU的定时控制下被A/D转换器处理成数字信号，并实时上传至计算机软件。在计算机软件中，采集的电压数据经过平滑处理后，可进一步滤除信号噪声，并通过焊点温度为“纽带”，将采集电压数据与相同LED（含散热器）在积分球中的光功率测量数据进行对应，并完成拟合校准处理。

本设计结构简单，成本低廉，且易于校准和上手操作，能快速跟踪采集快速温升过程中的LED光功率变化，并对不同工作状态下的LED均具有较明显的光功率分辨度，有助于学生学习和掌握LED光学和热学性能分析的基本趋势和原理，满足学生实验教学的技能培养要求，具有良好的应用前景和继续开发优化的参考价值。

参考文献

[1] Cho Jaehee，Park Jun Hyuk，Kim Jong Kyu，et al.White light-emitting diodes： History， progress， and future[J].Laser and Photonics Reviews，2017，11（2）：147.

[2] Fan Yifeng，Li Wenzhe.The application of LED light source in modern landscape lighting design[J].Light and Engineering，2017，25（3）：110-116.

[3] 张建新，武志刚，李松宇，等.LED散热模块总热阻测量实验系统开发[J].实验技术与管理，2013，30（12）：77-81.

[4] 杨军.基于PIN光电二极管的光功率计设计[D].哈尔滨理工大学，2012.

[5] 王子孟.PIN硅光电二极管的原理和应用[J].光学仪器，1984，6（4）：1-9.

[6] 杨浩，刘译文，赵笠铮，等.基于AD8304对数放大器的高精度光功率计的设计[J].实验科学与技术，2015，13（4）： 215-218.

[7] 周真，杨军，秦勇.基于PIN光电二极管的光功率计[J].仪表技术与传感器，2013（6）：43-45.