淺析恒定溫度應(yīng)力下LED燈具的壽命評(píng)估

高翔 周杰 于東航

摘 要 本文簡單介紹了當(dāng)前LED光源光通量維持率相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)背景下對(duì)恒定溫度應(yīng)力下LED燈具光通量維持率的預(yù)估進(jìn)行簡單分析。

關(guān)鍵詞 LED光源;光通量維持率;溫度應(yīng)力老化

LED燈具屬于固態(tài)冷光源，它是通過將半導(dǎo)體PN 結(jié)（二極管）內(nèi)部的電子及空穴加以融合來發(fā)揮作用的，其光色因選取的LED材質(zhì)的不同而不同。LED的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能;單色性好;壽命長;安全可靠;其存在不足包括：發(fā)出的光流不大且有波動(dòng);由于白光LED是通過藍(lán)光誘導(dǎo)YAG熒光粉產(chǎn)生，因此沒有充分的顯色性能;可能出現(xiàn)光衰現(xiàn)象，這是由于這類燈具在使用時(shí)溫度增加，造成實(shí)際電壓降低，光的強(qiáng)度下降，進(jìn)而造成波長變化，加劇了光衰，甚至可能減少其使用時(shí)長;成本高[1]。

1LED光通量維持率相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和現(xiàn)狀

國家有關(guān)單位結(jié)合各種參數(shù)的LED燈具頒發(fā)了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，譬如LED道路隧道照明產(chǎn)品節(jié)能資質(zhì)認(rèn)定技術(shù)規(guī)范（CQC3127-2013 ）、LED筒燈節(jié)能資質(zhì)認(rèn)定技術(shù)規(guī)范（CQC3128-2013 ）、反射型自鎮(zhèn)流LED燈節(jié)能資質(zhì)認(rèn)定技術(shù)規(guī)范（CQC3129-2013）等三項(xiàng)節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范，其中以光通維持率衰減到 70%時(shí)的累積燃點(diǎn)時(shí)間為對(duì)應(yīng)LED燈具的壽命，并且最低壽命要求為30000h。

美國能源之星目前基于LED光源的測(cè)試方法發(fā)布了十余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)其中關(guān)于LED燈具的有LM-79、LM-84、TM-28，針對(duì)LED模塊的有LM-88、LM-85、LM-80、TM-21、TM-26、LM-87，其中IESLM-80-08，標(biāo)準(zhǔn)中要求預(yù)計(jì)LED光源流明維持壽命的最短試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為6000h，推薦的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10000h。IESTM-21-11，該標(biāo)準(zhǔn)是壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法，是對(duì)IESLM-80-08標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)補(bǔ)充。IESTM-21-11通過對(duì)LED流明維持壽命的擬合推算近似預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命[2]。

具體操作方式如下。①在低于1000h為間隔周期的條件下對(duì)光通量進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定總時(shí)長要超過6000h;②將0h的光通量當(dāng)成零點(diǎn)，判斷不同時(shí)長的光通維持率;③借助 （指數(shù)衰減方程）模擬出光通維持率特征曲線，如果測(cè)定總時(shí)長低于10000h，選擇后5000h的數(shù)值進(jìn)行曲線模擬;如果總時(shí)長在10000h以上，那么以整個(gè)時(shí)長的后面一半時(shí)間所得數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行方程模擬;④結(jié)合方程模擬情況得到α、β的大小，然后以此為條件，按照公式得到光源的使用時(shí)長，如果演算而得的使用時(shí)長超出去了全部測(cè)定時(shí)長的，則把總時(shí)長的5.5或者6倍當(dāng)成預(yù)估的使用時(shí)長[3]。

2恒定溫度應(yīng)力下LED燈具光通量維持率的簡單預(yù)估分析

達(dá)到壽命燃點(diǎn)時(shí)，由于被相關(guān)設(shè)施、透鏡、機(jī)械元件等的材質(zhì)性能及商品散熱能力等的制約，LED的照明商品使用時(shí)長出現(xiàn)下降，一般反映為光通量減小或者光色漂移。基于商品某些元件間有交叉作用，通常以整個(gè)這類照明產(chǎn)品作為參照來展開其使用時(shí)長測(cè)驗(yàn)，所以具體參數(shù)的選取要結(jié)合產(chǎn)品的綜合可操作性進(jìn)行。我們視燃點(diǎn)內(nèi)部溫度為實(shí)驗(yàn)所受應(yīng)力，設(shè)置一系列溫度梯度，調(diào)控到梯度環(huán)境下（上下浮動(dòng)2℃左右）對(duì)燈具展開燃點(diǎn)測(cè)試，再借助積分球—光譜輻射儀觀獲取內(nèi)部環(huán)境中監(jiān)測(cè)燈一直處于燃點(diǎn)時(shí)在不同溫度條件下LED產(chǎn)品的使用時(shí)長有何變化。溫度條件的設(shè)置及實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣參數(shù)形態(tài)的研究是我們需要重點(diǎn)關(guān)注的。在收集相關(guān)試樣后，獲取其在系列梯度內(nèi)部溫度下燈具各個(gè)元件的溫度狀態(tài)，進(jìn)而找到溫度應(yīng)力測(cè)試的最高閾值。

壽命推算過程簡單概述如下，采用 e 指數(shù)衰減公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如公式所示：可計(jì)算其為70%時(shí)對(duì)應(yīng)的壽命值，對(duì)照明LED模塊進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的前提是保證照明 LED 模塊的失效機(jī)理不變。站在數(shù)學(xué)視角分析，我們從威布爾分布中看到的狀態(tài)體現(xiàn)了產(chǎn)品失效的內(nèi)在原因，即始終確保試樣的各個(gè)參數(shù)形態(tài)穩(wěn)定。所以在受到不同程度（i=1，2，3，4）應(yīng)力時(shí)，LED照明燈具的使用時(shí)長呈現(xiàn)威布爾分布[4]，其具體方程式為：

引入阿倫尼斯（Arrhenius）方程模型，通過方程我們可以推出試驗(yàn)樣品的特征壽命與施加的溫度應(yīng)力水平滿足關(guān)系式：

通過光通量衰減系數(shù)計(jì)算照明LED模塊的試驗(yàn)截止時(shí)間和某一溫度應(yīng)力下的工作壽命，取光通量衰減到初始值的70%作為失效判據(jù)，以此搭建壽命評(píng)估系統(tǒng)，通過對(duì)兩組恒定溫度應(yīng)力下的光通量維持率進(jìn)行擬合，便可推算出在常溫25℃下LED燈具光通量維持率達(dá)到70%時(shí)的壽命時(shí)長。

參考文獻(xiàn)

[1] LED筒燈節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范：CQC3128-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 郝劍.LED燈具加速老化在線測(cè)試和快速壽命評(píng)估方法的研究[D].長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2016.

[3] 董懿.照明LED模塊使用壽命快速檢測(cè)方法的研究[D].北京：中國計(jì)量學(xué)院，2012.

[4] 光源流明衰減測(cè)量方法：LM-80-2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.