1、智能化电子系统设计报告1 前言（绪论）1986 年，在蓝宝石基底上沉积高品质GaN 晶体获得成功，并且在1993 年开发出了高亮度蓝光发光二极管( LEDs) 。至今，人们仍在对高亮度蓝光 LED 进行不断地完善。在 1996 年，开发出了采用蓝光 LED 与黄色荧光粉相结合发出白光的 LED 产品并将其商业化1。21 世纪照明 METI 国家(Akari) 项目是一项基于高效率白光 LED 照明技术的工程，它利用的是近紫外线 LED 与荧光粉系统相结合的方法，该项目于1998 年启动，其第一阶段的项目已于 2004 年完成。作为电子元器件，发光二极管（Light Emitting Diode
2、-LED）已出现40多年，但长久以来，受到发光效率和亮度的限制，仅为指示灯所采用，直到上世纪末突破了技术瓶颈，生产出高亮度高效率的LED和兰光LED，使其应用围扩展到信号灯、城市夜景工程、全彩屏等，提供了作为照明光源的可能性。随着LED应用围的加大，提高LED可靠性具有更加重要的意义。LED具有高可靠性和长寿命的优点，在实际生产研发过程中，需要通过寿命试验对LED芯片的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高LED芯片的可靠性水平，以保证LED芯片质量，为此我司在实现全色系LED产业化的同时，开发了LED芯片寿命试验的条件、方法、手段和装置等，以提高寿命试验的科学性和结果的准确性。近些年来，L
3、ED 照明因具有许多优点，例如长寿命、低能耗、体积小等而非常有吸引力。最早 LED 只是被用来替换小型白炽灯充当指示器。在其光效有所提高后，LED 被应用于显示器中。随着其光效和总光通量的进一步改善，LED 开始被应用于日常照明领域。对于普通照明设备而言, LED 有限的光通量是一个难以解决的问题。要想获得高光通量就需要有高密度基底和大的工作电流。这将导致LED 产生热量、温度升高, 损坏LED 模块。随着LED生产技术水平的提高，产品的寿命和可靠性大为改观，LED的理论寿命为10万小时，如果仍采用常规的正常额定应力下的寿命试验，很难对产品的寿命和可靠性做出较为客观的评价，而我们试验的主要目的
4、是，通过寿命试验掌握LED芯片光输出衰减状况，进而推断其寿命。本设计介绍了LED芯片寿命试验过程，提出了寿命试验条件，完善的试验方案，消除可能影响寿命试验结果准确性的因素，保证了寿命试验结果的客观性和准确性。采用科学的试验线路和连接方式，使寿命试验台不但操作简便、安全，而且试验容量大。2 总体方案设计 LED 的发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见，LED 主要靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达5 - 10万个小时。LED 的寿命主要取决于 LED 芯片的质量、芯片的设计和芯片的材料。直接影响 LED
5、 寿命的关键因素有两个：一是驱动电流的变化 达到某个阈值以后，启动 LED 的电流越高，发光发热就越多；二是工作环境温度 温度越高，出光就越少。此外，LED 灯具的安装及固定方式对其寿命也有很大的影响。LED 芯片对温度异常敏感，这也是半导体的共性。一般用 LED 照明光源光通量流明值下降到初始值的50%的时间来定义其寿命。50%就是LED的半衰期，例如，5LED在室温情况下，在20 mA电流驱动下的寿命为10万小时，也就是说10万小时后，其光通量还保持在原来的一半。图2.1 LED的半衰期与 PN 结结点的温度的关系LED 的半衰期与 PN 结（Tj 点）结点的温度关系可用如图2.1曲线表示
6、，其关系为 式中， Bt 为使用t后的光通量， Bo 为初始使用的光通量； e为对数常数；c为常数；t 为使用时间；k 为温度。不管如何测量，半导体照明光源的寿命通常是比较长的，这对 LED 产品应用来说是一个很有意义的因素。随着使用时间的推移，LED的光衰量非常小。一般情况下，LED光源的使用寿命是 50 000 h或者更长。如果其中一个LED损坏了也不会影响整个灯的继续照明。LED灯的使用寿命还取决于每天工作多少小时如图表 2.2所示。每天工作时间5 万小时等于10 万小时等于每天24小时5.7 年11.4 年每天工作18小时7.4 年14.8 年每天工作8小时17.1 年34.2 年表2
7、.2 LED 寿命与使用时间的关系必须指出，50 000 h 是 LED 在实验室老化的预期寿命。从目前的制造技术来看，要做到灯具整体达到50 000 h 的寿命是很困难的。灯具寿命和光源寿命不能混为一谈2.1方案比较2.1.1方案一：长期寿命测试方案一叙述：为了确认LED灯具寿命是否达到5 - 10万小时，需要进行长期寿命试验，目前的做法基本上形成如下共识：因 GaN基的LED器件开始的输出光功率不稳定，所以按美国 ASSIST联盟规定，需要电老化1000小时后，测得的光功率或光通量为初始值。之后加额定电流3000小时，测量光通量（或光功率）衰减要小于4%,再加电流 3000小时，光通量衰减
8、要小于8%,再通电4000小时，共1万小时，测得光通量衰减要小于14%,即光通量达到初始值的 86%以上。此时才可证明确保 LED 寿命达到5 - 10万小时。2.1.2方案二：加速（短期）寿命测试方案二叙述：电子器件加速寿命试验可以在加大应力（电功率或温度）下进行试验，这里要讨论的是采用温度应力的办法，测量计算出来的寿命是LED平均寿命，即失效前的平均工作时间。采用此方法将会大缩短LED寿命的测试时间，有利于及时改进、提高LED可靠性。主要是引用“亚玛卡西”（yamakoshi）的发光管光功率缓慢退化公式，通过退化系数得到不同加速应力温度下LED的寿命试验数据，再用“阿伦尼斯”（Arrhen
9、ius）方程的数值解析法得到正常应力（室温）下的LED 的平均寿命，简称“退化系数解析法”,该方法采用三个不同应力温度即165、175和185下，测量的数据计算出室温下平均寿命的一致性。2.2方案论证方案一中试验周期长，需要电老化1000小时后，测得的光功率或光通量为初始值，之后加额定电流3000小时，测量光通量（或光功率）衰减要小于4%,再加电流 3000小时，光通量衰减要小于8%,再通电4000小时，共1万小时，将近42天的时间，与本次设计所给时间冲突十分巨大，试验过程将耗费诸多时间，故不宜采用此方案。方案二中在加大应力（电功率或温度）下进行试验，这里要讨论的是采用温度应力的办法，测量计算
10、出来的寿命是LED平均寿命，即失效前的平均工作时间。采用此方法将会大缩短LED寿命的测试时间，有利于及时改进、提高LED可靠性。能够在本次设计所给时间中，较为准确的得到试验的结果。综上所述，本次设计将采用方案二进行以下设计。3 单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1热阻( R ) 的测量本实验的目的在于得知工作条件与设备使用寿命之间的关系。工作条件中的两个重要因素是驱动电流和结温 Tj 。且结温 Tj 通过R (在pn结与铜板之间) 进行计算。因此,为了获得可靠、准确的数据, 可以用两种方法对R进行测量。一种是常见的电压梯度法, 另一种是利用热像仪。LED 模块安装在铜基电路
11、板上。电路板的形成特别设计成开放式的, 因此其外壳直接用铜和焊料焊接。铜板通过热导密封垫与热沉相连。热沉通过Peltier设备来控制温度。实验设备如图3.1所示。图3.1 热阻测量装置可以对结温 Tj 进行了常规测量。在外壳中串联有5个芯片。再对连接在一起的5个芯片逐一进行测量。每一个芯片部的温度分布情况并不完全一致。因此我们用平均值作为最终测量结果。利用这种方法必须去除荧光板、光学组件和底部填充剂, 直接确定芯片的温度分布情况。因此, 原则上我们必须关注 Tj 在去除硅树脂后可能出现的变化。对热传导过程的计算证实几乎所有的热量是通过金质凸点而非硅树脂来传导的。这说明 Tj 的测量与是否去除了
12、硅树脂无关。R = 78.9 /W。其数值与由常规测量方法获得的数值相同。我们利用这两种方法测得的热阻值完全一致。因此, 我们证实用两种方法测得的数据可靠、准确。再利用热像仪分别对1块芯片和5块芯片进行测量, 其测量结果是在同位置测量到的R值的1.2倍。在计算中, 我们定义热阻为5块LED芯片平均温度的平均值。通过热像仪所测得的此数值为 100.2 /W。因此, 我们假定其热阻为 100 /W。3.1.2结温测量结温测量的实验装置如图3.2所示。恒温箱 ( 1 ) ( WG 243 型电热鼓风干燥箱)被用来控制 LED 的环境温度,误差小于 1 。LED支架可以方便的固定LED ( 2 ) 以
13、及测量电路和热电阻 ( 3 ) ( Pt100标准热电阻) 。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上, 它的电阻值由万用 ( 4 ) ( VC 9802 A )来测量。电源 ( 5 ) ( SS P3112 光谱仪的稳流电源 ) 给 LED提供恒定直流。另一只万用表 ( 6 )( VC 9802 A ) 用来测量LED 的正向电压。 LED 发出的光通过透镜 ( 7 ) 汇聚后,透过恒温箱的玻璃窗口 ( 8 ) ,进入光谱仪 ( 9 ) ( SSP 3112 光谱仪 )的积分球。在恒定电流 ( 20 mA ) 改变环境温度 ( 35 100 ) 测量的情况下,可以测得初始电压与初始结温符合很强的线性
14、关系。所以可以通过测量正向电压确定结温:Tj = T0 +（Vt - V0）/K其中T0 是作为参考的环境温度, V0 是在T0 下的初始电压; Tj 和Vt 分别是稳定时的电压。整个测量过程中,电流要保持恒定。系数K可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到K = (V1 - V0 ) / ( T1 - T0 ) ,也可以通过测量多组参考温度和电压作线性拟合得到。选择靠近拟合直线的测量点(95. 0 , 3. 805 V)作为参考点,实验中LED通电后稳定时的结温可以由下面的公式来确定:图3.2 测量结温的装置Tj = 95.0 - 202.1 (Vj - 3.805) 3.1.3光通量的测量
15、光通量的有积分球法和变角光度计法两种方法。变角光度计法是测试光通量最精确地的方法，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3.3所示。用积分球法测LED光通量时有两种测试结构：一种是将被测 LED 放在球心；另外一种是将其放在球壁。图3.3 积分球法测LED光通量积分球的基本工作原理：光线由输入孔入射后，光线在球部被均匀的反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。而且入射光之入射角度、空间分布、以及极性都不会对输出的光束强度和均匀度造成影响。同时因为光线经过积分球部的均匀分布后才射出，因此积分球也可当作一个光强衰减器，输出强度与输入强度
16、比大约约为：光输出孔面积/积分球部的表面积。3.1.4串口电路的设计图3.4 串口电路原理图3.1.5温度控制和报警电路设计图3.5温度控制和报警电路设计3.1.6 过零触发电路设计图3.6 过零触发电路设计3.2电路参数的计算及元器件3.2.1 LED灯常用电路参数1正向工作电流IF。由于正向工作电压的变化不大，所以正向工作电流变化时，一方面会引起耗散功率的变化，另一方面会引起我们最关心的发光强度的变化。因此，可以通过正向工作电流说明LED的发光强度，或者就把它作为发光强度的一种间接表示。正常的IF一般不超过IFM的60。2正向工作电压UF。一般指在一定的正向工作电流条件下的正向压降。UF随
17、IF的变化而稍有变化，并且随温度的上升UF有所下降。UF值视LED所用半导体材料的不同而不同，一般在14-3V之间。3反向漏电流IR。反向漏电流是处于反偏置时的漏电流。4PN结电容CJ 。实际上它是PN结电容与管壳、引脚电容之和。结电容对于LED在高频下工作有较大的影响。5导通时间ton。当LED在脉冲电流驱动下工作时，在脉冲的上升沿从受激辐射开始达到发光强度稳定值的90为止所需要的时间。6截止时间t ct。当LED在脉冲电流驱动下工作时，在脉冲的下降沿从受激辐射结束到发光强度下降至稳定值的10为止所需要的时间。3.2.2电学特性1I-U特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数。LED的，I-
18、U特性具有非线性和单向导电性，即外加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻，如图3.4所示。图3.4 I-U特性曲线正向死区：a点电压值U0为开启电压，当U0，且UUF的正向工作区，IF近似随UF指数上升： (3-2)是指LED正常发光时的正向电流值，在实际使用中应根据需要选择在0.6 (为最大正向工作电流)以下。正向工作电压是在给定正向电流下得到的，一般是在=20mA时测得的。LED的为1.43V。在环境温度升高时，将下降。由于LED的主要功能是发光，因此正向特性十分重要，而反向特性意义不大，所以LED的伏安特性一般就是指它的正向特性。LED的伏安特性与一般二极管基本相似，只是开始导通的正向电压比
19、较大，在1.63.0V之间，视不同的半导体材料而定，如图3.5所示。图3.5 LED正向伏安特性曲线从LED的伏安特性曲线及模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起电流的很大变化，而且环境温度、老化时间等因素也将影响LED的电气性能。因为LED的光输出与LED电流相关，所以在LED应用中应控制输入电压和环境温度等因素的变化，否则LED的光输出将随输入电压和环境温度等因素的变化而变化。若LED电流失控，则LED长期工作在大电流下将影响其可靠性和寿命，甚至造成LED失效。反向死区：U0时，PN结加反向偏压；U=-UR时，反向漏电流为IR，U=-5V时，GaP为0V，GaN为10。反向击
20、穿区：U-UR， UR称为反向击穿电压；与UR对应的电流IR为反向漏电流。当反向偏压增加到使UTa时，部热量借助管座向外传热，散逸热量(功率)可表示为 P=KT(TjTa) (3-3)响应时间：LED的响应时间是标志反应速度的一个重要参数，尤其是在脉冲驱动或电压调制时显得非常重要。响应时间是指输入正向电流后LED开始发光(上升)和熄灭(下降)的时间。响应时间用于表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。LED的上升时间随着电流的增大近似地按指数规律衰减。直接跃迁的材料(如GaAs_x Px)的响应时间仅为几纳秒，而间接跃迁材料(如GaP、的响应时间则是100ns。在实际应用中，常常会设计到电参数的
21、测量。LED电参数的测量，与一般二极管的测量方法相同，在规定测试条件下，采用电压表一电流表的方法即可。只是在反向特性测试时，应该特别注意，反向电压不允许加大到击穿值。在LED显示屏规模较大时，使用晶体管显示仪进行测量更为方便。3.3特殊器件的介绍3.3.1 ADM3251EADM3251E是ADI（Analogdevice,inc）公司推出基于其专利iCoupler和isoPower磁隔离技术的RS-232隔离器。ADM3251E部集成了隔离电源DC-DC转换器，两个隔离通道以及一路RS-232收发器。Rin和Tout引脚带有15KV的ESD保护，因此适用于极端的电力环境和任何可以适用RS-2
22、32收发器的场合。iCoupler磁隔离技术是ADI公司的一项专利隔离技术，是一种基于芯片尺寸的变压器隔离技术，它采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术。所以，在性能、功耗、体积等各方面都有传统光电隔离器件（光耦）无法比拟的优势。由于磁隔离在设计上取消了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，因此它的功耗仅为光电耦合器的1/6-1/10，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。同时也消除了光电耦合中不稳定的电流传输率，非线性传输，温度和使用寿命等方面的问题。ADM3251E完全符合EIA/TIA-232E和ITU-TV.28规则，并且数据传输速度达到460Kbps。AD
23、M3251E是宽体SOIC-20封装，工作温度为-40到+85。ADM3251E引脚图如下。图3.7 ADM3251E引脚图3.3.2 ADUC848ADuC848是ADI公司新推出的嵌有单指令周期8052闪存MCU、带两路24位-A/D、双12位D/A以及两个灵活脉宽调制输出的高性能24位数据采集与处理系统芯片。该芯片的数据处理速度达12MIPS，且设计简单，噪声低，非常适用于精密仪器仪表。ADuC848是ADI公司新推出的高性能24位数据采集与处理系统，它部集成有两个高分辨率的-ADC、10/8通道输入多路复用器、一个8位MCU和程序/数据闪速/电擦除存储器。同时可提供62k字节的闪速/电
24、擦除程序存储器，4k字节闪速/电擦除数据存储器和2304字节的数据RAM。ADuC848可通过一个片锁存环PLL产生一个12.58MHz的高频时钟，以使之运行于32kHz外部晶振。该时钟可通过一个从MCU核心时钟工作频率分离的可编程时钟发送。片微控制器是一个优化的单指令周期8052闪存MCU。该MCU在保持与8051指令系统兼容的同时，具有12.58MIPS的性能。该芯片的两个独立的ADC（主ADC和辅助ADC）由一个输入多路复用器，一个温度传感器和一个可直接测量低幅度信号的可编程增益放大器PGA组成。主、辅ADC都采用高频“斩波”技术来提供优良的直流（DC）失调和失调漂移指标，因而非常适合用
25、于低温漂且对噪声抑制和抗电磁干扰能力要求较高的应用场合。ADuC848具有串行下载和调度模式，可通过EA引脚提供引脚竞争模式，同时支持QuickStart开发系统和低成本的软件和硬件工具。该芯片具有52引脚塑料四方扁平封装（MQFP）和56引脚芯片级封装（CSP）。图3.8 ADUC848的引脚排列图3.9 ADUC848电路设计3.3.3 555芯片555集成电路开始是作定时器应用的，后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。555定时器的电路如
26、图所示。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为32Ucc，加在同相端；C2的参考电压为31Ucc，加在反相端。是复位输入端。当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时，=1。u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u1132Ucc，u1231Ucc时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。图3.10 555时基电路引脚555定时器产品
27、有TTL型和CMOS型两类。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压围宽，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。特点：555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制
28、与检测。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。3.4各单元模块的联接图3.11 各单元的联接4 软件设计4.1 PROTEL99 SE简介PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国开始使用，在国的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。Protel99SE共分5个模块，分别
29、是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。Protel99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。Protel99设计平台软硬件配置要求： ntium II 233MHZ存32M硬盘300M显示器SVGA，15显示分辩率800600。建议配置：CPUPentiumII300以上存128M，硬盘6G以上显示器SVGA,17以上显示分辩率256色，128076
30、8。只要是1998年以后所成立的计算机教室，或个人购买的计算机，几乎都超过以上标准。本次设计将使用protel软件进行电路设计。4.2软件设计结构及功能并联连接形式：即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接，其特点是每个LED的工作电压一样，总电流为IFn，为了实现每个LED的工作电流If一致，要求每个LED的正向电压也要一致。但是，器件之间特性参数存在一定差别，且LED的正向电压Vf随温度上升而下降，不同LED可能因为散热条件差别，而引发工作电流If的差别，散热条件较差的LED，温升较大，正向电压Vf下降也较大，造成工作电流If上升。虽然可以通过加入串联电阻限流减轻上述现象，但存在线路复杂、工作电流If差别较大、不能适用不同VF的LED等缺点，因此不宜采用并联连接驱动形式。串联连接形式：即将多个LED的正极对负极连接成串，其优点通过每个LED的工作电流一样，一般应串入限流电阻R，如图二为单串电路，当出现一个LED开路时，将导致这串8
