大功率LED燈具的壽命——LED知識(shí)（四）

2011-05-30 08:31施克孝

演藝科技 2011年8期

施克孝

（中廣國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

目前，關(guān)于LED燈具（本文以大功率LED燈具為例）的壽命有多種說(shuō)法，有人說(shuō)是2萬(wàn)小時(shí)，有人說(shuō)是5萬(wàn)小時(shí)，有的甚至說(shuō)10萬(wàn)小時(shí)。那么，LED燈具的壽命究竟是多少呢？本文就來(lái)談?wù)勥@個(gè)問(wèn)題。

有一個(gè)著名的水桶理論，也叫水桶定律或短板理論，是指一只水桶，如圖1所示，盛水的多少并不取決于最長(zhǎng)的那塊木板（圖1中的B板），而是取決于最短的那塊木板（圖1中的A板），盛水超過(guò)最短板A就會(huì)流出來(lái)。

LED燈具的壽命，正好符合水桶理論。LED燈具主要由LED芯片、散熱系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電源三個(gè)部分組成，如圖2所示，這三個(gè)部分對(duì)LED燈具的壽命都是至關(guān)重要的。

如果把LED燈具的壽命比做“水桶”中的“水”，那么LED芯片、燈具的散熱系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電源就是構(gòu)成“水桶”的三塊木板，哪一塊最短，哪一塊就決定了LED燈具的壽命。現(xiàn)在分別談一下影響LED燈具壽命的“三塊木板”。

1 LED芯片的質(zhì)量

LED芯片是LED光源的核心部件，它的壽命很大程度上決定著LED燈具的壽命。影響LED芯片壽命的因素有三個(gè)，即芯片的晶格缺陷、封裝工藝及熒光粉的質(zhì)量。

首先，構(gòu)成LED芯片的材料是晶體。理想的晶體如圖3 所示。如果晶格排列得不那么好，有的地方缺行，如圖4所示，這種缺陷就會(huì)影響LED芯片的壽命。另外，如果LED芯片所摻雜的雜質(zhì)不是我們所需要的雜質(zhì)，也會(huì)影響LED光源的壽命。

其次，LED的封裝是否合理也是影響芯片壽命的重要因素。目前美國(guó)Cree（科瑞）公司、Lumilends公司和日本日亞公司等全球幾大知名公司的封裝工藝水平比較高，LED封裝技術(shù)也都有專利保護(hù)，其LED的壽命也就有保證。但其他大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)品工藝封裝仿制較多，這些產(chǎn)品從外形看還可以，但工藝結(jié)構(gòu)和工藝質(zhì)量都較差，因而嚴(yán)重影響了LED的壽命。另外，LED芯片的性能都具有一定的分散性，在封裝之前應(yīng)根據(jù)LED芯片的面積、光效等諸多指標(biāo)進(jìn)行歸類分檔。如果芯片在封裝前不進(jìn)行分檔，封裝后的成品出光率必然參差不齊。這就是說(shuō)，LED的封裝及封裝之前的分檔也是影響LED壽命的重要因素。

最后，熒光粉的質(zhì)量同樣影響LED芯片的壽命。目前LED芯片產(chǎn)生白光的方法有多種，其中有兩種方法是通過(guò)熒光粉發(fā)白光的。一種方法是在LED藍(lán)光芯片上涂覆YAG（Yttrium Aluminum Garnet，釔鋁石榴石）熒光粉。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，波長(zhǎng)短的光子比波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子能量大，因此，芯片發(fā)出的藍(lán)光（波長(zhǎng)短）激發(fā)熒光粉可產(chǎn)生500 nm～560 nm的黃綠光（波長(zhǎng)較藍(lán)光長(zhǎng)），藍(lán)光與黃綠光合成白光。這種方法得到白光的成本較低，但熒光粉的均勻性較難控制，且芯片使用一段時(shí)間后，光效和色溫都會(huì)有相應(yīng)變化。另一種方法是讓LED芯片發(fā)出紫外線，紫外線再激發(fā)RGB（紅、綠、藍(lán)三基色）熒光粉產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三基色光，三基色光再混合成白光。因?yàn)樽贤饩€的光子能量較大，使封裝材料環(huán)氧樹(shù)脂容易老化，這也會(huì)影響LED芯片的壽命。

如果LED芯片成為L(zhǎng)ED燈具壽命的“短板”，那么，上述三個(gè)因素中哪個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題，哪個(gè)就是影響LED芯片和燈具壽命的“短板”，如圖5所示。

2 LED的散熱系統(tǒng)

在談及LED燈具時(shí)，關(guān)于是否存在紅外線以及發(fā)熱量的多少，也有多種說(shuō)法。實(shí)際上，LED光源發(fā)白光的光通量理論值應(yīng)在300 lm/W以上。大功率LED光源目前只達(dá)到80 lm/W～100 lm/W，也就是說(shuō)電能的近1/3變成可見(jiàn)光，大多數(shù)電能變成了熱能。這些熱能要以熱傳導(dǎo)及熱輻射的形式散發(fā)。所以，大功率LED燈具的散熱系統(tǒng)至關(guān)重要。

LED光源的P-N結(jié)對(duì)溫度非常敏感。溫度高，將使LED芯片的壽命大打折扣。如圖6所示，它是Cree公司給出大功率白光LED的光衰（光通量衰退，light attenuation）曲線圖。

按照國(guó)際慣例（也是原有光源規(guī)范的規(guī)定），光源的有效壽命定義為：光通量衰減到初始值的70% 時(shí)，光源就算壽終。LED光源的P-N結(jié)在不同溫度下的有效壽命見(jiàn)圖中綠橫線與各曲線的交點(diǎn)位置。從圖6中可以看出，P-N結(jié)的溫度為75 ℃時(shí)，壽命為51 000 h（綠色曲線）；溫度為85 ℃時(shí)，壽命為22 000 h（黃色曲線）；溫度為95 ℃時(shí)，壽命為18 000 h（粉色曲線）；溫度為105 ℃時(shí)，壽命為12 000 h（紅色曲線）。實(shí)際上，大功率LED燈具的P-N結(jié)溫度目前大約在105 ℃左右，也就是說(shuō)，LED芯片的壽命只有10 000多小時(shí)。如果燈具的散熱條件不好，LED芯片的P-N結(jié)升溫過(guò)高，LED芯片會(huì)很快損壞。這時(shí)，散熱系統(tǒng)就成為L(zhǎng)ED燈具壽命的“短板”，如圖7所示。

散熱系統(tǒng)對(duì)LED芯片的壽命影響很大，用同樣質(zhì)量的芯片放在不同的燈具中，壽命會(huì)相差幾倍甚至幾十倍。一種燈具的設(shè)計(jì)是否成功，除光路系統(tǒng)外，散熱系統(tǒng)起著決定性作用。

3 驅(qū)動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)電源對(duì)LED燈具的壽命起著關(guān)鍵的作用，這是一個(gè)很容易被忽視的問(wèn)題，也可能是當(dāng)前推廣大功率LED燈具的瓶頸。檢查燈具時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：發(fā)現(xiàn)LED芯片并沒(méi)有損壞，而是驅(qū)動(dòng)電源出現(xiàn)故障。通常，LED芯片的壽命遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)電源的壽命。例如，Cree公司的XLamp的系列產(chǎn)品7090XR-E是白光LED芯片，其典型工作參數(shù)是3.5 V，700 mA（2.45 W），P-N結(jié)溫度為80 ℃（這個(gè)溫度只有非常好的散熱系統(tǒng)才能做到），光通量衰減到初始值的70 %時(shí)，芯片壽命為50 000 h。目前，最好的驅(qū)動(dòng)電源壽命已超過(guò)30 000 h，較差的驅(qū)動(dòng)電源壽命僅為幾千小時(shí)。如果LED燈具選用了高質(zhì)量的芯片，同時(shí)散熱系統(tǒng)做得也好，驅(qū)動(dòng)電源的壽命就可能成為薄弱的環(huán)節(jié)，如圖8所示。

4 關(guān)于有效壽命

光衰的指標(biāo)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，往往也把對(duì)LED光源知之較少的人引入誤區(qū)。

大家知道，傳統(tǒng)光源的壽命有兩種說(shuō)法，一種叫全壽命，一種叫有效壽命。全壽命定義為光源從點(diǎn)燃到壽終（不亮）為止的全部累積點(diǎn)燃時(shí)間。有效壽命是指光源點(diǎn)燃后，當(dāng)它的光通量衰減到初始值的70%時(shí)的光源累計(jì)點(diǎn)燃時(shí)間。因?yàn)楣庠吹墓馔繌某跏贾档?0%到壽終（不亮）還能點(diǎn)很長(zhǎng)時(shí)間，所以絕大多數(shù)光源的有效壽命遠(yuǎn)小于全壽命。

LED 光源是一種新光源，新光源的壽命采用有效壽命是沒(méi)有爭(zhēng)議的。目前國(guó)際上通常將L70列為考核LED光源壽命的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。所謂L70，就是指把LED光源初始光通量看做1.0（即100%），光通量衰減到初始值的70% 時(shí)算做光源的有效壽命。而國(guó)內(nèi)LED業(yè)界，有的制造企業(yè)把光通量衰減到初始值的50%（俗稱半衰期）作為L(zhǎng)ED燈的壽命標(biāo)準(zhǔn)。從圖6可以看出，當(dāng)LED的P-N結(jié)工作溫度為105 ℃時(shí)，光衰到初始值的70%時(shí)壽命為12 000 h，光衰到初始值的50%時(shí)壽命為21 000 h，這兩個(gè)數(shù)值相差很多。從事燈具應(yīng)用的技術(shù)人員，如果不清楚兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，可能會(huì)做出錯(cuò)誤的判斷。

5 關(guān)于顯色指數(shù)和色溫

對(duì)于影視舞臺(tái)的LED燈具，即使光通量沒(méi)有衰減到初始值的70%，如果顯色指數(shù)Ra降低過(guò)多或光源色溫變化過(guò)大，也應(yīng)視為其壽命的終結(jié)。因?yàn)椋@色指數(shù)或色溫變化過(guò)多，各個(gè)燈的色溫又不一樣，燈具就失去了使用價(jià)值。

筆者簡(jiǎn)析影響LED燈具壽命的幾個(gè)方面，是希望大家對(duì)LED燈具的壽命有一個(gè)更加清晰的了解，同時(shí)也希望影響LED燈具壽命的“短板”越高越好，甚至做到水桶的各個(gè)板塊一樣平齊，使LED燈具壽命的“水”盛的越多越好。

LED作為繼白熾燈、氣體放電燈之后的一代新光源，具有光效高、節(jié)能、環(huán)保無(wú)污染、不怕震動(dòng)等許多優(yōu)點(diǎn)，引發(fā)了一場(chǎng)光源的革命，但因?yàn)長(zhǎng)ED光源還在迅速發(fā)展之中，它的提升空間還很大。我們客觀地評(píng)說(shuō)它的優(yōu)點(diǎn)，指出發(fā)展方向，是一種更加負(fù)責(zé)任的態(tài)度。過(guò)分地“忽悠”LED光源目前還不具備的“長(zhǎng)處”，并不利于LED光源的發(fā)展。

［1］沙占友. LED照明驅(qū)動(dòng)電源優(yōu)化設(shè)計(jì). 北京：中國(guó)電力出版社，2011

［2］楊清德，楊蘭云. LED及其應(yīng)用技術(shù)問(wèn)答. 北京：電子工業(yè)出版社，2011