本应用笔记系列探讨了如何测量LED的动态电阻，以及如何根据这些数据创建可用的SPICE模型。

现如今，LED已经取代了白炽灯、CFL和卤素灯泡，主宰了照明行业。这当然是不无原因的，首先，它们的节能降耗效率更高，其次，做为一种半导体器件，它们比其它类型的照明设备更加可靠。大多数LED都由恒流驱动器供电，以在平行排列的阵列中保持均匀的照明，并具有相匹配的照明强度和色温。恒流调节器的稳定性取决于LED的动态阻抗。本应用笔记系列探讨了如何测量LED的动态电阻，以及如何根据这些数据创建可用的SPICE模型。

此外，本文还包含对LED正向电容的测量方案，因为其电容会影响驱动器的稳定性，并对EMI评估产生重要影响，尤其是在通过对LED电流进行脉宽调制以进行调光的情况下更是如此。

LED结构

LED的半导体结的正向电压通常处于2.5–3V之间。在许多应用中，会采用并联和/或串联形式的LED阵列。此外，可以购买具有多种颜色、预先排列的的并行和/或串联LED阵列。

在本应用笔记系列中，我们不考虑LED的阵列形式，将LED做为一个黑匣子看待，并且无论是单个LED还是多个LED，我们都把它们视为单个元件。

准备待测设备（DUT）

和其它阻抗测量相比，LED的阻抗测量存在两大挑战。第一，LED的亮度非常高，比如在使用激光二极管的情况下，如果没有严格执行安全预防措施，即使发射的是不可见光，也可能导致眼睛永久受损。

第二，大功率的LED会发热，因此需要使用散热片或其他冷却方式。之所以直接测量其动态阻抗，而不是对电压-电流曲线求导，是因为阻抗本身对发热的敏感性要低于所测量的直流电压。

获得LED动态阻抗的一种方法是将DC电压和电流数据进行曲线拟合，拟合成肖克莱方程的形式，根据肖克莱方程，对电压求一阶导数，可以得到LED的动态电阻。这种方法是可行的，但是它需要进行大量复杂的数学运算，从而使这种方法变得乏味。

使用电压和电流测量电阻还有另外两个缺点，这些缺点都可以通过直接测量LED阻抗来克服。

第一，电压会随着LED自身的发热而漂移，直接测量阻抗则对自发热没有那么敏感。

第二，直接阻抗测量法不仅可以得到电阻值，还可以估算电感和电容。

最终，我们希望得到一种LED的通用SPICE模型，可以和任何SPICE仿真器一起使用。（我将在另一篇文章中向您展示如何创建SPICE模型。）由于SPICE仍然使用电压-电流的肖克莱方程表示半导体结，因此得到的SPICE模型仍将符合肖克莱方程。直接阻抗测量可以提供SPICE模型中的两项，它们合在一起足以表示LED阻抗随LED电流的变化。 需要使用一个直流电压来对LED直流电压进行建模，并且可以在低电流下进行测量，因为在低电流情况下，基本上没有自发热问题。

在我们的测量设置中，大灯包括一个冷却风扇和四个安装在铝制散热器上的LED阵列。玻璃管充当风管，以在这些LED阵列上配送冷却空气。

图1.拆解的LED灯

首先，我断开了四个LED阵列和电流驱动器的连接，然后用一些短导线焊接到其中一个阵列上。可以把电工胶带缠绕在玻璃管上以降低LED的亮度，这样一来我们就不需要护目镜了。

动态电阻设置

实验的目的是在各种工作电流下测量LED的动态电阻。将LED偏置在某个工作电流下，然后对LED电压进行交流调制。

频率响应分析仪（FRA）用来提供调制信号，同时测量LED两端的调制电压和流经LED的调制电流。用调制电压除以调制电流就可以得到LED的动态电阻。

使用Picotest J2121A线路注入器隔离电流测量和调制输出，可以简化测量。通过恒流电源（例如P9610A）为注入器供电，可以精确地控制工作电流。

测试设置如图2所示。

图2 测量设置框图

校准测量设置

测量设置需要进行校准。为此，J2121A在一个便利的夹具上加入了一个1欧姆的校准器。具体的校准过程如下：首先将电源的电流限制设置为500mA，并将电压探头连接到校准器测试点。然后在FRA上执行THROUGH校准，再从测量值中减去电缆阻抗。

校准设置如图3所示，您可以在其中看到鳄鱼夹与前照灯DUT的连接。

图3.测试系统校准

需要注意的是，我们通过一个单独的电源为冷却风扇供电，所以它不会影响LED直流偏置电流。

在图4中我们可以看到一个特写，J2121A连接到了驱动1欧姆校准器的电源环路分析仪Bode 100上。将恒流电源的电流设置为500mA，通过电压探头监视校准器的电压。此外，我们还可以看到，电气隔离的电流监控器连接到了Bode 100的通道1，并通过香蕉插头将LED连接到J2121A。

图4：校准器连接方式的特写

进行扫频

为了测量LED的动态电阻，将LED代替上述的1欧姆校准器。需要注意的是，给风扇供电的是第二个独立的电源。可以看到LED被点亮了，但是由于已经在玻璃管上缠绕了电气胶带，所以亮度并不是很刺眼。

图5. LED动态电流测试

FRA扫描和测量值与工作电流一起被保存到了内存中。扫描范围为10mA至1.5A。可以发现，在较高的偏置电流下（由黑色轨迹线标示），在100-100kHz之间，电阻变化的斜率有所增加，这可能是由于大电流导致发热而引起的电阻变化（电阻有个温度系数，温度越高，电阻越大）。在较低的偏执电流下，LED的阻抗更高，信号的噪声也更大。

图6. LED动态电流扫描

如果您对精度的要求很高（这是一个很好的品质，确实应该精益求精），那么你需要减去将J2121A连接到LED阵列的短导线自身的阻抗（和电感）。在我的测量设置中，这个阻抗大约是20毫欧。

注意：虽然增加调制幅度可能会减少噪声，但是请确保这样做不会改变结果。幅度增加的太大只能进行大信号测量而不能用于小信号测量。我的书《电源完整性》中详细讨论了这种影响。

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