一种白光LED器件光照度确定方法及系统

一种白光led器件光照度确定方法及系统
技术领域
1.本发明涉及白光led领域，特别是涉及一种白光led器件光照度确定方法及系统。


背景技术：

2.在白光led器件的应用过程中，驱动电源是一个对led照明光源非常关键的部分，led照明光源的驱动方式将会直接影响到led光源的照明效果。直接采用交流驱动白光led产品能够简化设计，成本较低。目前商品化白光led产品多数采用dc转换电路，将交流供电转为直流供电驱动led产品，相较于复杂的dc转换电路设计，交流驱动是led产品未来发展和推广的主流趋势。而交流驱动的led光源在使用过程中会产生一定的频闪现象，导致这种现象的原因主要有：驱动电源频率波动，驱动电压不稳定等。
3.led产品的驱动电源受到驱动电压，驱动频率，驱动功率和环境温度等因素重要影响。只有选择合适的驱动条件，才能保证led光源输出稳定的光照。由led产品对于驱动电源的要求十分苛刻，且驱动电路整体寿命会受到多种因素的影响，尤其是关键器件会受到温度，电压变化的严重影响，进而对白光led产品的稳定性和可靠性产生影响。由于驱动电源对led产品的光效和使用寿命具有紧密的联系规律，但是目前没有报道过上述驱动参数变量之间联系的定量模型。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种白光led器件光照度确定方法及系统，通过考虑驱动特性和温度的影响，提高白光led器件光照度的确定精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种白光led器件光照度确定方法，包括：
7.获取白光led器件的驱动特性和热沉温度；所述驱动特性包括电压幅度、偏置电压、频率和增益系数；
8.根据所述驱动特性和所述热沉温度确定所述白光led器件的输出光照度。
9.可选地，所述根据所述驱动特性和所述热沉温度确定所述白光led器件的输出光照度，具体包括：
10.根据所述频率确定光照度与频率之间的关系；
11.根据所述电压幅值确定光照度与电压幅值之间的关系；
12.根据所述光照度与频率之间的关系和所述光照度与电压幅值之间的关系构建光照度与频率和电压幅值之间二维函数；
13.根据所述偏置电压确定光照度与偏置电压之间的关系；
14.根据所述光照度与频率之间的关系、所述光照度与电压幅值之间的关系和所述光照度与偏置电压之间的关系构建光照度与频率、电压幅值和偏置电压之间的三维函数；
15.根据所述增益系数确定光照度与所述增益系数之间的关系；
16.根据所述热沉温度确定光照度与所述热沉温度之间的关系；
17.根据所述光照度与频率和电压幅值之间二维函数、所述光照度与频率、电压幅值和偏置电压之间的三维函数、所述光照度与所述增益系数之间的关系和所述光照度与所述热沉温度之间的关系确定白光led器件的输出光照度。
18.可选地，所述光照度与频率之间的关系的表达式为：
19.pf＝α1f β120.其中，pf为受驱动频率影响白光led器件的光照度，f为白光led器件的正弦驱动频率，α1为照度与频率之间的第一关联系数，β1为照度与频率之间的第二关联系数。
21.可选地，所述光照度与电压幅值之间的关系的表达式为：
22.pv＝γ1v δ123.其中，pv为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，v为白光led器件的正弦驱动电压幅值，γ1为照度与电压幅值之间的第一关联系数，δ1为照度与电压幅值之间的第二关联系数。
24.可选地，所述光照度与所述热沉温度之间的关系的表达式为：
[0025][0026]
其中，p
t
为白光led器件受热沉温度影响的光照度，t为白光led器件所处的热沉温度，σ1为照度与热沉温度之间的第一关联系数，τ1为照度与热沉温度之间的第二关联系数，为照度与热沉温度之间的第三关联系数。
[0027]
可选地，所述光照度与偏置电压之间的关系的表达式为:
[0028][0029]
其中，pb为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，b为白光led器件的正弦驱动偏置电压，φ1为照度与偏置电压之间的第一关联系数，ω1为照度与偏置电压之间的第二关联系数，为照度与偏置电压之间的第三关联系数。
[0030]
可选地，光照度与所述增益系数之间的关系的表达式
[0031]
pg＝χ
1g-μ1[0032]
其中，pg为受增益系数影响白光led器件的光照度，g为白光led器件的正弦驱动增益系数，χ1为照度与增益系数之间的第一关联系数，μ1为照度与增益系数之间的第二关联系数。
[0033]
可选地，所述白光led器件的输出光照度的表达式为：
[0034][0035]
其中，p
f,v,b,g,t
为白光led器件的输出光照度，pf为受驱动频率影响白光led器件的光照度，pv为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，pb为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，pg为在驱动增益条件下白光led器件输出的光照度，p
t
为白光led器件受热沉温度影响的光照度，po为当驱动频率和波形幅值分别为(f0，v0)情况下白光led器件的光照度，p1为白光led器件当驱动频率、波形幅值和正弦驱动偏置电压分别为(f0，v0，b0)情况下白光led器件的光照度，p2是白光led器件当驱动频率、波形幅值、正弦驱动偏置电压和正弦驱动增益系数分别为(f0，v0，b0，g0)情况下白光led器件的光照度，p3是白光led器件驱动频率、波形幅值、正弦驱动偏置电压、正弦驱动增益系数和热沉温度分别为(f0，v0，b0，g0，
t0)情况下白光led器件的光照度。
[0036]
一种白光led器件光照度确定系统，包括：
[0037]
获取模块，用于获取白光led器件的驱动特性和热沉温度；所述驱动特性包括电压幅度、偏置电压、频率和增益系数；
[0038]
输出光照度确定模块，用于根据所述驱动特性和所述热沉温度确定所述白光led器件的输出光照度。
[0039]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0040]
本发明获取白光led器件的驱动特性和热沉温度；所述驱动特性包括电压幅度、偏置电压、频率和增益系数；根据所述驱动特性和所述热沉温度确定所述白光led器件的输出光照度。通过考虑驱动特性和热沉温度确定的白光led器件的输出光照度，提高白光led器件光照度的确定精度。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明提供的白光led器件光照度确定方法流程图；
[0043]
图2为白光led器件的驱动频率-光照度曲线图；
[0044]
图3为不同驱动幅值下白光led光照度变化趋势图；
[0045]
图4为不同驱动偏置电压下白光led光照度变化趋势图；
[0046]
图5为不同增益系数下白光led光照度变化趋势图；
[0047]
图6为不同热沉温度下白光led光照度变化趋势图；
[0048]
图7为白光led器件光照度确定方法示意图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
本发明的目的是提供一种白光led器件光照度确定方法及系统，通过考虑驱动特性和温度的影响，提高白光led器件光照度的确定精度。
[0051]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0052]
如图1所示，本发明提供的一种白光led器件光照度确定方法，包括：
[0053]
步骤101：获取白光led器件的驱动特性和热沉温度；所述驱动特性包括电压幅度、偏置电压、频率和增益系数。
[0054]
步骤102：根据所述驱动特性和所述热沉温度确定所述白光led器件的输出光照度。
[0055]
其中，步骤102，具体包括：
[0056]
根据所述频率确定光照度与频率之间的关系。
[0057]
根据所述电压幅值确定光照度与电压幅值之间的关系。
[0058]
根据所述光照度与频率之间的关系和所述光照度与电压幅值之间的关系构建光照度与频率和电压幅值之间二维函数。
[0059]
根据所述偏置电压确定光照度与偏置电压之间的关系。
[0060]
根据所述光照度与频率之间的关系、所述光照度与电压幅值之间的关系和所述光照度与偏置电压之间的关系构建光照度与频率、电压幅值和偏置电压之间的三维函数。
[0061]
根据所述增益系数确定光照度与所述增益系数之间的关系。
[0062]
根据所述热沉温度确定光照度与所述热沉温度之间的关系。
[0063]
根据所述光照度与频率和电压幅值之间二维函数、所述光照度与频率、电压幅值和偏置电压之间的三维函数、所述光照度与所述增益系数之间的关系和所述光照度与所述热沉温度之间的关系确定白光led器件的输出光照度。
[0064]
本发明提出正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)、热沉温度、白光led照度的动态交叉联系规律。在此基础上，建立了用于预测白光led器件光学特性的定量模型。通过该评价模型和正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)相关的特征参数，可以精确地评估白光led的光学特性，进而计算白光led器件产生的光照度。此外，该方法提供了快速建模和仿真解决方案，用于设计最佳正弦波驱动特征参数条件，以保证白光led器件发光的效率和稳定性。
[0065]
本发明提供了一种通过正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)相关的特征参数，可直接获取白光led器件光照度的方法，通过该方法可确定在白光led器件在任意电压幅度、偏置电压、频率、增益系数等参数下的光照度，进而可确定不同驱动参数以及工作状态下白光led的光照度，为照明工程师设计在白光led器件设计及改善方面提供理论依据。
[0066]
如图7所示，以白光led器件为例，其受驱动频率影响的led光照度p即光照度与频率之间的关系可表示为
[0067]
pf＝α1f β1ꢀꢀꢀ
(1)
[0068]
其中pf为受驱动频率影响白光led器件的光照度，f为白光led器件的正弦驱动频率，α1为照度与频率之间的第一关联系数，β1为照度与频率之间的第二关联系数。
[0069]
白光led的光照度是由正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)决定，且受到白光led器件片热沉温度的影响，因此受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度pv即光照度与电压幅值之间的关系表示为
[0070]
pv＝γ1v δ1ꢀꢀ
(2)
[0071]
其中pv为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，v为白光led器件的正弦驱动电压幅值，γ1为照度与电压幅值之间的第一关联系数，δ1为照度与电压幅值之间的第二关联系数。
[0072]
从驱动电源供电到白光led芯片激发光子发光，一部分电能被白光led器件转换为光能，另一部分电能在传输和电子复合过程中转换为热量，而器件的热沉温度由于结温效应会对白光led芯片的光效产生重要影响。其中正弦驱动波形驱动时，白光led器件的光照
度与热沉温度的关系可表示为
[0073][0074]
其中p
t
为白光led器件受热沉温度影响的光照度，t为白光led器件所处的热沉温度，当t＝20℃(环境温度)，白光led器件的光照度为p
0,t
。由于白光led器件置于温控设备，因此白光led芯片受环境温度的影响较低，因此环境温度产生的结温效应可忽略不计。σ1为照度与热沉温度之间的第一关联系数，τ1为照度与热沉温度之间的第二关联系数，为照度与热沉温度之间的第三关联系数。
[0075]
驱动电源的偏置电压也会影响白光led的光照度。在白光led器件中，白光led器件的偏置电压与其热沉温度，工作电流，散热器尺寸相关。通常正弦驱动电源偏置电压驱动白光led芯片发光将影响led器件热沉温度，注入电流，并且反过来影响led器件片的负载电压。另一方面，白光led芯片的结温会影响白光led芯片的注入电流，从而影响led器件的光照度。
[0076]
在实际驱动条件下，白光led器件的光照度pb与驱动偏置电压b即光照度与偏置电压之间的关系的表达式为：
[0077][0078]
其中pb为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，b为白光led器件的正弦驱动偏置电压。φ1为照度与偏置电压之间的第一关联系数，ω1为照度与偏置电压之间的第二关联系数，为照度与偏置电压之间的第三关联系数。
[0079]
在驱动增益条件下，白光led器件输出的光照度即光照度与所述增益系数之间的关系可表示为
[0080]
pg＝χ1g-μ1ꢀꢀ
(5)
[0081]
其中，pg为受增益系数影响白光led器件的光照度，g为白光led器件的正弦驱动增益系数，χ1和μ1为照度与增益系数之间的关联系数。
[0082]
通过该模型可知驱动电源的频率对白光led的光照度无法产生有效影响。如图2所示，当驱动波频率较小的时候，白光led的光照度随着驱动频率的增加而增加，但总体增量幅度小于1％故但频率对白光led的光照度的影响可忽略不计。驱动频率的大小虽然对于白光led器件的光照度未能产生有效影响，但由驱动频率所造成的光源频闪会严重影响白光led器件的照明产品，故不可忽略驱动频率对白光led器件照明效果的影响。
[0083]
基于公式(1)，可得到以下三个方面的结论：第1点：驱动频率与白光led光照度的关系具有线性关系。第2点：对于给定驱动频率的驱动电源，虽然驱动频率与白光led的光照度呈线性关系，但白光led器件的光照度随频率变化较小可忽略不计。
[0084]
如(1)和(2)所示，白光led器件的光照度分别与其驱动频率、幅值呈线性关系，可建立白光led器件的光照度与其驱动频率、幅值之间的二维函数
[0085][0086]
其中po为当驱动频率和波形幅值分别为(f0，v0)情况下白光led器件的光照度。该公式可确定出在任意驱动频率和正弦波形幅值情况下，白光led器件的光照度。目前尚未有相关报道可以通过定量公式预测不同驱动频率与波形幅值下白光led器件的光照度。
[0087]
白光led器件的光照度，与驱动电源驱动频率，波形幅值和偏置电压的大小之间存在联系关系，可建立，白光led器件输出光照度与驱动频率，波形幅值和偏置电压之间的三维函数，如下所示：
[0088][0089]
其中pf为白光led器件在驱动频率变化条件下输出的光照度,pv为白光led器件在驱动波形幅值变化条件下输出的光照度，pb为白光led器件在驱动偏置电压变化条件下输出的光照度，p1为白光led器件在(f0，v0，b0)情况下白光led器件的光照度。
[0090]
在驱动增益条件下，白光led器件输出的光照度即光照度与所述增益系数之间的关系可表示为：
[0091]
pg＝χ1g-μ1ꢀꢀ
(8)
[0092]
其中，χ1为照度与增益系数之间的第一关联系数，μ1为照度与增益系数之间的第二关联系数。
[0093]
将公式(8)带入(7)，则
[0094][0095]
可通过白光led器件作为激发光源，p2是白光led器件在(f0，v0，b0，g0)情况下白光led器件的光照度，则正弦驱动的白光led光照度可表示为：
[0096][0097]
其中，p
f,v,b,g,t
为白光led器件的输出光照度，pf为受驱动频率影响白光led器件的光照度，pv为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，pb为受驱动波形幅值影响白光led器件的光照度，pg为在驱动增益条件下白光led器件输出的光照度，p
t
为白光led器件受热沉温度影响的光照度，po为当驱动频率和波形幅值分别为(f0，v0)情况下白光led器件的光照度，p1为白光led器件当驱动频率、波形幅值和正弦驱动偏置电压分别为(f0，v0，b0)情况下白光led器件的光照度，p2是白光led器件当驱动频率、波形幅值、正弦驱动偏置电压和正弦驱动增益系数分别为(f0，v0，b0，g0)情况下白光led器件的光照度，p3是白光led器件驱动频率、波形幅值、正弦驱动偏置电压、正弦驱动增益系数和热沉温度分别为(f0，v0，b0，g0，t0)情况下白光led器件的光照度。基于公式(10)，可得到以下四个方面的结论：
[0098]
第1点：上述模型将白光led器件电压幅度、偏置电压、频率、增益系数、热沉温度、白光led照度联系为一体，揭示了它们相互交叉内在联系规律。通过公式(10)就可准确预测出在不同驱动参数条件下的白光led器件，在提高不同驱动环境情况下，白光led器件输出的光照度。
[0099]
白光led器件的光照度p3为在(f0，v0，b0，g0，t0)情况下的光照度为4855.67lux，驱动频率f为400hz，波形幅值v为4v，白光led器件的热沉温度t为55℃，增益系数g为4db，偏置电压b为3v。α1为0.0124，β1为4812.4，γ1为728.96，δ1为927.07。当驱动波形幅值v从2.5v到6.5v变化，如图3所示，随着驱动波形幅值增大，白光led光照度明显升高，这是由于驱动波形幅值增大将使得白光led器件两端的负载电压增大，而随着负载电压的增大使得led的功率增大，才能使白光led器件输出更大的光照强度。
[0100]
公式(4)中φ1为378.9，ω1为4727.7，为5732.6。当偏置电压从2v到6v变化，如图4所示，随着偏置电压的增大，白光led器件输出的光照度显著升高，这说明驱动波形的偏置电压将直接影响到白光led器件输出的光照强度，当偏置电压从4v增加到5v后，白光led器件输出的光照度达到其条件极值，随着偏置电压进一步增大，但白光led器件输出的光照度增量变小，因此应该选择合适的偏置电压，才能最大程度提高白光led器件输出的光照度。
[0101]
公式(7)中χ1为1659.6，μ1为1583。当驱动波形的增益系数从2db到6.5db变化，如图5所示，随着增益系数增加，白光led器件的输出光照度显著增大，这说明驱动波形的增益系数将直接引起白光led器件光照度的变化，但过大的增益系数会使得驱动led器件的波形发生失真影响其光照效果，因此应该选择最佳的增益系数，才能获得合适的白光led器件输出的光照度。
[0102]
公式(3)中σ1为0.1349，τ1为20.363，为4166.6。当白光led器件热沉温度从25℃到85℃变化，如图6所示，随着led器件热沉温度增大，白光led光照度增大，当器件热沉温度65℃，白光led输出的光照度达到了极大值，随着热沉温度进一步增大，白光led光照度反而降低，这说明不同的热沉温度将影响到白光led器件输出光照度，因此应该选择最佳的热沉温度，才能最大程度激发led器件内的量子效率，从而获得最大的白光led器件输出光照度。
[0103]
通过上述分析而知，如图3所示，通过增加白光led器件偏置电压，可有效提高白光led输出的光照度，然而增加白光led器件偏置电压的同时，将会引起droop效应使得led器件的热沉温度升高，而白光led器件热沉温度的波动，如图6所示，将对白光led器件的输出光照度表现为非线性关系，另一方面增加白光led器件波形幅值，将使得led器件负载功率升高引起器件内部热流聚集效应，将导致白光led器件光效下降。因此如何选择合适电压幅度、偏置电压、频率、增益系数，是优化设计白光led器件输出光照度的关键因素。
[0104]
本发明从不同层面揭示正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)、热沉温度、白光led照度的动态交叉联系规律，通过该多物理模型以正弦波驱动特性参数作为手段，控制白光led光学特性具有重要的指导价值。解决了在白光led设计开关电源驱动过程，如何通过正弦波驱动特性参数控制白光led器件输出的光照度。通过本发明，工程师不需要将开关电源驱动负载在白光led灯具中，形成完整白光led灯具系统之后，才能评估其开关电源驱动的正弦波驱动特性特征参数对白光led光学特性的影响规律。通过本专利，工程师可以通过正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)相关的特征参数，评估其在白光led光学特性的变化规律。
[0105]
本发明还提供与白光led器件光照度确定方法对应的一种白光led器件光照度确定系统，包括：
[0106]
获取模块，用于获取白光led器件的驱动特性和热沉温度；所述驱动特性包括电压幅度、偏置电压、频率和增益系数。
[0107]
输出光照度确定模块，用于根据所述驱动特性和所述热沉温度确定所述白光led器件的输出光照度。
[0108]
本发明通过构建正弦波驱动特性(电压幅度、偏置电压、频率、增益系数)、热沉温度、白光led照度的动态交叉联系模型：由于白光led器件的光照度涉及到诸多物理因子，特别在不同特性驱动参数驱动下的白光led器件，其输出的光学特性取决于电压幅度、偏置电
压、频率、增益系数等因素，因此白光led器件的光照度变化存在复杂的多物理场交叉联系规律在白光led产品组装之前，驱动电路和白光led器件是两个独立的模块，目前通常的方法，是将驱动电源部分与白光led器件连接组合之后获得白光led产品，将白光led器件和驱动电源单做一个整体研究对象，对这个白光led器件的驱动特性和白光led器件的特征参数进行研究。而本发明解决了在白光led封装之前，通过独立研究正弦波驱动特性参数，连接到白光led器件的光照度之间的内在联系关系。工程师不需要将驱动电源部分与白光led形成完整白光led产品之后，才能评估其特征参数对白光led光照度的影响规律。工程师可以通过正弦驱动特性相关的特征参数，评估其在封装后白光led光学特性的变化规律。
[0109]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0110]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。