LED光衰的原因透析

本文从LED的伏安特性、LED伏安特性的温度特性和LED结温升高产生的问三个 方面，深入LED光衰的重要原因。 现在大家开始意识到，光衰是大功率LED路灯不能长期工作的主要原因，也开始认 识到降低光衰的一个重要方法就是改进其散热。尽管如此，从这次深圳市灯光环境 管理中心对各种路灯的测试结果来看，仍然有大多数路灯的光衰是不能满足使用要 求的。1200小时亮灯后的光衰，最好的为 8%，最差的为 26%，平均为 14%。按 照Cree公司的测试结果，结温在 105度时，14%光衰也应当要在工作了 6000小时 以后，可见大部分路灯的结温在 105度以上。 可能不少公司不会同意这样的结果，因为他们认为他们的散热器都是经过精心 的。实际情况可能也是如此，但是测试的结果也不容怀疑。问题出在哪里呢？ 我认为，可能散热器也不至于设计得这么差，而可能是因为有一些路灯是采用恒压 电源供电的结果。可是为什么采用恒压电源供电会引起光衰呢？这听上去好像有点 天方夜谭。但实际上的确有这么严重。让我们来从头说起吧！ 图 1. Cree公司 LED的结温和光衰寿命试验结果 1．LED的伏安特性 我们都知道，LED是一个二极管，而二极管最重要的电特性就是它的伏安特性。图 2中给出了 Cree公司的 XLamp7090XR-E的伏安特性。 图 2. XLamp7090XR-E的伏安特性 2．LED伏安特性的温度特性 虽然它的样子和一般二极管没有什么两样，但是最大的不同在于它的温度特性。其 实所有二极管的伏安特性都有温度特性的问题，可是就是 LED是需要特别加以注意 的。这是因为： 2.1 大功率 LED的工作电流比较大，1W为 0.35A，3-5W为 0.7A，20W为 1.05A， 30W为 1.75A，50W为 3.5A。不过可能也会有人觉得，整流二极管的正向电流也 可能达到这样大的数值的。 2.2 LED因为目前的发光效率还是比较低，所以大部分的输入电功率都是转化为热， 所以它的发热很高，假如散热器做得不好，那么结温就会升得很高。 2.3 LED不同于整流二极管，它不是采用一般的硅做成的，而是采用特殊的材 料（例如氮化镓）制成。所以它的伏安特性的温度特性也不同于一般二极管，而是 要明显大于一般二极管。例如一般二极管的伏安特性的温度特性为-2mV/°C，但是 Cree公司的 XLamp7090XR-E的伏安特性的温度特性却高达 -4mV/°C，要比一般 的二极管大一倍。 3． 由结温升高产生的问题 3.1 LED结温升高以后首先带来的是光输出降低 图 3. XLamp7090XR-E的相对光输出随结温的升高而降低 3.2 结温升高引起伏安特性的左移 因为伏安特性的温度系数是负的，这意味着温度升高，特性左移。例如，假定结温 升高 50度，那么伏安特性就会左移 200mV。 3.3 采用恒压电源供电会使 LED正向电流随温升的增加而增加 因为电源电压是恒定的，而伏安特性却左移了，其结果就是正向电流增加。从图 2 的伏安特性可以看出，假如常温下用 3.3V的恒压电源供电，其正向电流为 350mA； 结温升高 50度以后，伏安特性左移 0.2V，那么相当于电源电压升高到了 3.5V，这 时候，正向电流就会增加到 600mA。 3.4 采用恒压电源供电会引起温升增加的恶性循环 正向电流增加以后，因为电源电压没有变化，所以 LED的输入功率增加到 3.3Vx0.6A=1.98W， 几乎增加了一倍。但从图 3可以看出，结温升高以后，光输出会降低，这意味着更 多的输入功率转换为热能，也就是说如果这时候增加正向电流，它的光输出并不随 着增加，反而降低。所以，这时的正向电流的增加只会引起结温增加，而不会使光 输出增加。 所以，结温增加以后，正向电流增加，结温再增加，正向电流再增加，这就引起结 温升高的恶性循环。 4 结论 采用恒压电源供电会使结温升高，光衰加大，寿命缩短。 所以，从前面的分析，可以得出这样的结论：采用恒压电源供电会使结温升高，而 结温增加的结果就是光衰加大，寿命缩短。假定 LED在常温 25度时开机，开机以 后结温就会升高，假定散热器设计为温升至 75度，也就是结温增加了 50度，那么 就会使得正向电流增加至 600mA。总功率从 1.155W增加到 1.98W，增加了 0.825W。而这部分所增加的功率几乎全部转换为热量。假定原来 LED的发光效率 为 30%，也就是 70%的输入功率（0.8W）都转换为热能。现在又多了一倍的热能 需要从散热器散出去。显然，这是原来的散热器设计没有考虑到的。这就使 LED的 结温又升高 50度，变成了 125度。我们回到图 1来看光衰曲线，125度的光衰为 14%的寿命也就差不多为 1200小时，那么也就可以解释为什么一个精心设计的散 热器，如果采用恒压电源供电，其结果仍然是光衰很大，寿命很短了！ 所以，给 LED供电，一定要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化， 伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！