LED的壽命能不能預(yù)測(cè)？LED照明光衰問(wèn)題探討,LED life time

作者 茅于海

一切事物都有發(fā)生、發(fā)展和消亡的過(guò)程，LED也不例外，是有一定壽命的。早期的LED只是手電筒、臺(tái)燈這類的禮品，用的時(shí)間不長(zhǎng)，壽命問(wèn)題不突出。但是現(xiàn)在LED已經(jīng)開(kāi)始廣泛地用于室外和室內(nèi)的照明之中，尤其是大功率的LED 路燈，其功率大、發(fā)熱高、工作時(shí)間長(zhǎng)，壽命問(wèn)題就十分突出。過(guò)去認(rèn)為L(zhǎng)ED壽命一定就是10萬(wàn)小時(shí)的神話似乎徹底破滅了。那么到底問(wèn)題出在哪里呢？

假如不考慮電源和驅(qū)動(dòng)的故障，LED的壽命表現(xiàn)為它的光衰，也就是時(shí)間長(zhǎng)了，亮度就越來(lái)越暗，直到最后熄滅。通常定義衰減30%的時(shí)間作為其壽命。

那么LED的壽命能不能預(yù)測(cè)呢？這個(gè)問(wèn)題無(wú)法簡(jiǎn)單地回答，需要從頭講起。

1、LED的光衰

大多數(shù)白色LED是由藍(lán)色LED照射黃色熒光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有兩個(gè)，一個(gè)是藍(lán)光LED本身的光衰，藍(lán)光LED的光衰遠(yuǎn)比紅光、黃光、綠光LED要快。還有一個(gè)是熒光粉的光衰，熒光粉在高溫下的衰減十分嚴(yán)重。各種品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的廠家能夠給出一套標(biāo)準(zhǔn)的光衰曲線來(lái)。例如美國(guó)Cree公司的光衰曲線就如圖1所示。

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圖1. Cree公司的LED的光衰曲線

從圖中可以看出，LED的光衰是和它的結(jié)溫有關(guān)，所謂結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度，結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰，也就是壽命越短。從圖上可以看出，假如結(jié)溫為105度，亮度降至70%的壽命只有一萬(wàn)多小時(shí)，95度就有2萬(wàn)小時(shí)，而結(jié)溫降低到75度，壽命就有5萬(wàn)小時(shí)，65度時(shí)更可以延長(zhǎng)至9萬(wàn)小時(shí)。所以延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵就是要降低結(jié)溫。不過(guò)這些數(shù)據(jù)只適合于Cree的LED。并不適合于其他公司的LED。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲線就如圖2所示。

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圖2. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲線

當(dāng)結(jié)溫從115℃提高到135℃，就會(huì)使壽命從50,000小時(shí)降低到20,000小時(shí)。 其他各家公司的光衰曲線應(yīng)當(dāng)可以向原廠索取。

2、如何才能延長(zhǎng)LED的壽命

由圖中可以得出結(jié)論，要延長(zhǎng)其壽命的關(guān)鍵是要降低其結(jié)溫。而降低結(jié)溫的關(guān)鍵就是要有好的散熱器。能夠及時(shí)地把LED產(chǎn)生的熱散發(fā)出去。

在這里我們不準(zhǔn)備討論如何設(shè)計(jì)散熱器的問(wèn)題，而是要討論哪一個(gè)散熱器的散熱效果相對(duì)比較好的問(wèn)題。實(shí)際上，這是一個(gè)結(jié)溫的測(cè)量問(wèn)題，假如我們能夠測(cè)量任何一種散熱器所能達(dá)到的結(jié)溫，那么不但可以比較各種散熱器的散熱效果，而且還能知道采用這種散熱器以后所能實(shí)現(xiàn)的LED壽命。

3、如何測(cè)量結(jié)溫

結(jié)溫看上去是一個(gè)溫度測(cè)量問(wèn)題，可是要測(cè)量的結(jié)溫在LED的內(nèi)部，總不能拿一個(gè)溫度計(jì)或熱電偶放進(jìn)PN結(jié)來(lái)測(cè)量它的溫度。當(dāng)然它的外殼溫度還是可以用熱電偶測(cè)量的，然后根據(jù)給出的熱阻Rjc（結(jié)到外殼），可以推算出它的結(jié)溫。但是在安裝好散熱器以后，問(wèn)題就又變得復(fù)雜起來(lái)了。因?yàn)橥ǔED是焊接到鋁基板，而鋁基板又安裝到散熱器上，假如只能測(cè)量散熱器外殼的溫度，那么要推算結(jié)溫就必須知道很多熱阻的值。包括Rjc（結(jié)到外殼），Rcm（外殼到鋁基板，其實(shí)其中還應(yīng)當(dāng)包括薄膜印制版的熱阻），Rms（鋁基板到散熱器），Rsa（散熱器到空氣），其中只要有一個(gè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確就會(huì)影響測(cè)試的準(zhǔn)確度。圖3給出了 LED到散熱器各個(gè)熱阻的示意圖。其中合并了很多熱阻，使得其精確度更加受到限制。也就是說(shuō)，要從測(cè)得的散熱器表面溫度來(lái)推測(cè)結(jié)溫的精確度就更差。

圖3. LED到散熱器各個(gè)熱阻的示意圖

幸好有一個(gè)間接測(cè)量溫度的方法，那就是測(cè)量電壓。那么結(jié)溫和哪個(gè)電壓有關(guān)呢？這個(gè)關(guān)系又是怎么樣的呢？

我們首先要從LED的伏安特性講起。

4、LED伏安特性的溫度系數(shù)

我們知道LED是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，它和所有二極管一樣具有一個(gè)伏安特性，也和所有的半導(dǎo)體二極管一樣，這個(gè)伏安特性有一個(gè)溫度特性。其特點(diǎn)就是當(dāng)溫度上升的時(shí)候，伏安特性左移。圖4中畫出了LED的伏安特性的溫度特性。

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圖4. LED伏安特性的溫度特性

假定對(duì)LED以Io恒流供電，在結(jié)溫為T1時(shí)，電壓為V1，而當(dāng)結(jié)溫升高為T2時(shí)，整個(gè)伏安特性左移，電流Io不變，電壓變?yōu)閂2。這兩個(gè)電壓差被溫度去除，就可以得到其溫度系數(shù)，以mV/oC表示。對(duì)于普通硅二極管，這個(gè)溫度系數(shù)大約為-2mV/oC。但是LED大多數(shù)不是用硅材料制成的，所以它的溫度系數(shù)也要另外去測(cè)定。幸好各家LED廠家的數(shù)據(jù)表中大多給出了它的溫度系數(shù)。例如對(duì)于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其溫度系數(shù)為-4mV/oC。要比普通硅二極管大2倍。至于美國(guó)普瑞的陣列LED（BXRA）就給出了更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

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但是，他們給出的數(shù)據(jù)，其范圍也未免過(guò)于寬大，以至于失去了利用的價(jià)值。

不管怎樣，只要知道LED的溫度系數(shù)就很容易可以從測(cè)量LED的前向電壓中推算出LED的結(jié)溫了。

5、如何具體測(cè)算LED的結(jié)溫

現(xiàn)在就以Cree公司的XLamp7090XR-E為例。來(lái)說(shuō)明如何具體測(cè)算LED的結(jié)溫。要求已經(jīng)把LED安裝到散熱器里，并且是采用恒流驅(qū)動(dòng)器作為電源。同時(shí)要把連接到LED去的兩根線引出來(lái)。在通電以前就把電壓表連接到輸出端（LED的正極和負(fù)極），然后接通電源，趁LED還沒(méi)有熱起來(lái)之前，馬上讀出電壓表的讀數(shù)，也就是相當(dāng)于V1的值，然后等至少1小時(shí)，等它已經(jīng)達(dá)到熱平衡，再測(cè)一次，LED兩端的電壓，相當(dāng)于V2。把這兩個(gè)值相減，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出結(jié)溫了。實(shí)際上，LED多半為很多個(gè)串聯(lián)再并聯(lián)，這也不要緊，這時(shí)的電壓差值是由很多串聯(lián)的LED所共同貢獻(xiàn)，所以要把這個(gè)電壓差值除以所串聯(lián)的LED數(shù)目再去除以4mV，就可以得到其結(jié)溫。例如，LED是10串2并，第一次測(cè)得的電壓為33V，第二次熱平衡后測(cè)得的電壓為30V，電壓差為3V。這個(gè)數(shù)字先要除以所串聯(lián)的LED個(gè)數(shù)（10個(gè)），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定開(kāi)機(jī)前的環(huán)境溫度是 20度，那么這時(shí)候的結(jié)溫就應(yīng)當(dāng)是95度。

采用這種方法得出的結(jié)溫，肯定要比用熱電偶測(cè)量散熱器的溫度再來(lái)推算其結(jié)溫要準(zhǔn)確很多。

6、如何來(lái)預(yù)測(cè)這個(gè)燈具的壽命

從結(jié)溫來(lái)推測(cè)壽命好像應(yīng)該很簡(jiǎn)單，只要查一下圖1的曲線，就可以知道對(duì)應(yīng)于95度結(jié)溫時(shí)的壽命就可以得到LED的壽命為2萬(wàn)小時(shí)了。但是，這種方法用于室內(nèi)的LED燈具還有一定的可信度，如果應(yīng)用到室外的LED燈具，尤其是大功率LED路燈，那里還有很多不確定因素。最大的問(wèn)題是LED路燈的散熱器的散熱效率的隨時(shí)間而降低。這是由于塵土、鳥(niǎo)屎的積累而使得其散熱效率降低。也還因?yàn)槭彝庥泻軓?qiáng)烈的紫外線，也會(huì)使LED的壽命降低。紫外線主要是對(duì)封裝的環(huán)氧樹(shù)脂的老化起很大作用，假如采用硅膠，可以有所改善。紫外線對(duì)熒光粉的老化也有一些壞作用，但不是很嚴(yán)重。

不過(guò)，這種方法用來(lái)相對(duì)比較兩種散熱器的散熱效果是比較有效的。很明顯，伏安特性左移越小的散熱器，其散熱效果就越好。另外，對(duì)于預(yù)測(cè)室內(nèi) LED燈具的壽命也還是有一定的準(zhǔn)確度的。