淺析恒定溫度應力下LED燈具的壽命評估

高翔 周杰 于東航

摘 要 本文簡單介紹了當前LED光源光通量維持率相關標準的發(fā)展現(xiàn)狀，基于當前標準背景下對恒定溫度應力下LED燈具光通量維持率的預估進行簡單分析。

關鍵詞 LED光源;光通量維持率;溫度應力老化

LED燈具屬于固態(tài)冷光源，它是通過將半導體PN 結（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材質的不同而不同。LED的優(yōu)點：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;由于白光LED是通過藍光誘導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溫度增加，造成實際電壓降低，光的強度下降，進而造成波長變化，加劇了光衰，甚至可能減少其使用時長;成本高[1]。

1LED光通量維持率相關標準的發(fā)展和現(xiàn)狀

國家有關單位結合各種參數(shù)的LED燈具頒發(fā)了一系列技術標準及規(guī)范，譬如LED道路隧道照明產(chǎn)品節(jié)能資質認定技術規(guī)范（CQC3127-2013 ）、LED筒燈節(jié)能資質認定技術規(guī)范（CQC3128-2013 ）、反射型自鎮(zhèn)流LED燈節(jié)能資質認定技術規(guī)范（CQC3129-2013）等三項節(jié)能認證技術規(guī)范，其中以光通維持率衰減到 70%時的累積燃點時間為對應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光源的測試方法發(fā)布了十余項標準其中關于LED燈具的有LM-79、LM-84、TM-28，針對LED模塊的有LM-88、LM-85、LM-80、TM-21、TM-26、LM-87，其中IESLM-80-08，標準中要求預計LED光源流明維持壽命的最短試驗持續(xù)時間為6000h，推薦的試驗持續(xù)時間為10000h。IESTM-21-11，該標準是壽命試驗測試結果進行數(shù)據(jù)處理的方法，是對IESLM-80-08標準中一個補充。IESTM-21-11通過對LED流明維持壽命的擬合推算近似預測產(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光通量進行測定，測定總時長要超過6000h;②將0h的光通量當成零點，判斷不同時長的光通維持率;③借助 （指數(shù)衰減方程）模擬出光通維持率特征曲線，如果測定總時長低于10000h，選擇后5000h的數(shù)值進行曲線模擬;如果總時長在10000h以上，那么以整個時長的后面一半時間所得數(shù)據(jù)為基礎進行方程模擬;④結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長，如果演算而得的使用時長超出去了全部測定時長的，則把總時長的5.5或者6倍當成預估的使用時長[3]。

2恒定溫度應力下LED燈具光通量維持率的簡單預估分析

達到壽命燃點時，由于被相關設施、透鏡、機械元件等的材質性能及商品散熱能力等的制約，LED的照明商品使用時長出現(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，通常以整個這類照明產(chǎn)品作為參照來展開其使用時長測驗，所以具體參數(shù)的選取要結合產(chǎn)品的綜合可操作性進行。我們視燃點內(nèi)部溫度為實驗所受應力，設置一系列溫度梯度，調(diào)控到梯度環(huán)境下（上下浮動2℃左右）對燈具展開燃點測試，再借助積分球—光譜輻射儀觀獲取內(nèi)部環(huán)境中監(jiān)測燈一直處于燃點時在不同溫度條件下LED產(chǎn)品的使用時長有何變化。溫度條件的設置及實驗時試樣參數(shù)形態(tài)的研究是我們需要重點關注的。在收集相關試樣后，獲取其在系列梯度內(nèi)部溫度下燈具各個元件的溫度狀態(tài)，進而找到溫度應力測試的最高閾值。

壽命推算過程簡單概述如下，采用 e 指數(shù)衰減公式對數(shù)據(jù)進行擬合，如公式所示：可計算其為70%時對應的壽命值，對照明LED模塊進行加速壽命試驗的前提是保證照明 LED 模塊的失效機理不變。站在數(shù)學視角分析，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參數(shù)形態(tài)穩(wěn)定。所以在受到不同程度（i=1，2，3，4）應力時，LED照明燈具的使用時長呈現(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樣品的特征壽命與施加的溫度應力水平滿足關系式：

通過光通量衰減系數(shù)計算照明LED模塊的試驗截止時間和某一溫度應力下的工作壽命，取光通量衰減到初始值的70%作為失效判據(jù)，以此搭建壽命評估系統(tǒng)，通過對兩組恒定溫度應力下的光通量維持率進行擬合，便可推算出在常溫25℃下LED燈具光通量維持率達到70%時的壽命時長。

參考文獻

[1] LED筒燈節(jié)能認證技術規(guī)范：CQC3128-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2] 郝劍.LED燈具加速老化在線測試和快速壽命評估方法的研究[D].長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2016.

[3] 董懿.照明LED模塊使用壽命快速檢測方法的研究[D].北京：中國計量學院，2012.

[4] 光源流明衰減測量方法：LM-80-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.