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LED道路照明产品的加速寿命试验方法
发布时间：2014-10-10 浏览：2826次 发布：中国照明灯具网
半导体照明作为一种新型节能的照明产品，由于其光源及部件的不易替换性，更由于半导体发光器件（半导体芯片）和材料在不同工作环境条件下老化特性所引起的光通衰减，使得对LED照明产品的可靠性要求远远高于传统灯具。LED道路照明产品是国家节能减排政策大力推广应用的节能产品，由于其与一般半导体照明产品相比，通常具有工作环境恶劣﹑连续工作时间长﹑额定功率大﹑更换维修困难等特点，因此保证其高可靠性显得尤为重要。然而，LED器件在正常使用条件下，其标称寿命约为100000h，若进行1：1的寿命试验，其时间约11.4年，这显然无法实现，由此，提供一种LED道路照明产品的加速寿命试验方法就成了摆在LED行业面前的一个重要课题。
1 影响LED道路照明产品寿命的主要因素
依据LED照明产品特性，将其寿命归纳为突变失效和光衰失效。突变失效是指LED照明产品在使用或寿命试验中某些器件或材料损坏造成产品使用功能的丧失；光衰失效一般指照明产品光通总量下降到额定光通的75%。造成失效的主要器件、材料通常有：驱动电源、控制器、芯片、模组、密封胶、封装材料、导热胶、散热器、光学材料等。造成失效的主要原因有：器件、材料老化引起的电学或光学性能下降；器件、材料应力释放以及不同温度系数的材料在环境温度变化情况下引起的结构破坏；半导体器件的衰减机制等。
影响LED道路照明产品寿命的主要因素是客观存在和不可避免的，通过这些因素形成机理的分析，半导体照明产品加速寿命试验方法目前的主流意见是按产品结构组成将试验大体分为三个部分。
（1）半导体发光器件的可靠性试验与评估。主要在原二极管等电子元件的可靠性试验标准基础上，结合LED照明产品特点，通过应力试验﹑环境试验﹑老化光衰试验后，对其进行筛选或可靠性评估。
（2）LED电源、模组等半导体照明产品部件的可靠性试验与评估。主要在原灯具控制器件的寿命试验标准基础上，结合LED照明产品特点，通过环境试验、寿命试验、加速寿命试验后对其进行失效时间的试验评估。
（3）根据LED照明产品特点，建立LED灯具的可靠性评估方法，通过可靠性环境试验和寿命试验、加速寿命试验，对LED灯具的光衰失效和突变失效进行可靠性评估。
2 LED道路照明产品加速寿命试验现状分析
LED道路照明产品加速寿命试验目前在国际上均未单独提供试验方法，在寿命评估中采用了与一般LED照明产品相同的试验方法，主要有美国能源之星采用的6000h温度加速试验；IEC采用的3000h温度加速试验；该类试验普遍存在着试验周期长﹑试验费用高的缺陷，不能及时快捷地反映产品质量状况。
我国高度重视LED照明产品加速寿命试验方法研究，目前国家LED联盟推出了CSA020LED“LED照明产品加速衰减试验方法”，通过2000h温度加速试验及e指数推导方式，将美国能源之星采用的6000h减少为2000h；由国家灯具分标委组织多方质检中心、著名生产企业、研究机构参与编制的“LED灯具可靠性试验方法”国家标准（报批稿），提出了由环境试验、开关试验、1000h温度加速试验及3000h温度加速试验组成的可靠性试验方法。然而，上述试验方法依然存在试验周期长、试验费用高的缺陷，试验中对LED灯具ts测量点的确定和测量也存在问题。同时，由国家灯具中心进行的2000h LED道路灯具验证试验和道康宁公司提供的二次光学材料（硅胶、PC、Ps、PMMA等)2000h老化试验表明，2000h内的加速寿命试验期间，LED道路灯具的总光通量无明显变化。
3 光谱结温测量技术在LED道路照明产品加速寿命试验中的应用
为解决快速便捷地评估LED道路照明产品寿命问题，国家半导体照明产品质量监督检验中心与上海技术物理所新近研制了LED灯具的光谱结温测量系统，可在48h内，对灯具在不同温度条件下的结温进行测量，由此推算其光衰寿命，这是一种简单快速的寿命评估试验方法，提供了一种LED道路灯具寿命快速评估和质量控制的新途径。
（1）光谱结温测量的基本原理
光谱法测量LED灯具结温是基于半导体禁带宽度温度效应导致发光波长移动的原理。通过采用分布式高分辨率光谱仪，实时采集LED灯具的发光光谱，并结合光谱实时标定和快速数值拟合的方法，测量LED灯具的光谱偏移量、光谱能量比的变化，通过相应的数学计算方法，实现对实际工作状态下LED灯具结温的测量（光谱曲线如图1所示）。光谱法测试是一种非接触式测量结温的方法，该测试方法与灯具各个单管之间的相互连接的电路无关，也与灯具对LED单管的封转状态无关，适合于不同种类的灯具产品和不同厂家来源的灯具产品的结温测试。
电学法测量LED灯具结温是基于半导体PN结工作电压与结温之间的对应关系。此方法采用具有大电流和小电流快速切换功能的脉冲源，对LED灯具实施脉冲恒流和稳态恒流交互作用，实时精确采集LED模块的前向电压，结合实时稳态标定和快速数值拟合的方法，实现对实际工作状态下LED灯具结温的测量（电压曲线如图1所示），并通过大量试验建立主流芯片结温寿命曲线（如图2所示），进而快速评估光源寿命。
（2）光谱结温测量的系统构成
光谱结温测量系统集光谱法、电学法和环境条件模拟为一体，是针对LED灯具产品开发的结温测试系统，实现在不破坏灯具产品整体性的前提下，进行结温测量，进而评估灯具的寿命，这对提高产品质量和可靠性等均具有重要意义。
系统主要包括LED灯具结温测量装置、光谱测量系统、电学测量系统、环境模拟系统和数据处理系统等几个部分。测量系统示意图如图3所示。
①恒温箱构建的环境模拟系统用来模拟LED灯具实际工作时的环境条件，并提供光谱法测试和电学法测试时需要标定的环境条件。
②光谱测量系统采用高性能的光谱仪通过光谱偏移量方法测量LED灯具的结温。
③电学测量系统输出恒流脉冲来提供LED灯具稳态标定时所需要的电信号，输出恒流驱动来测量LED灯具实际工作时的结温，不仅为光谱法测试和电学法测试提供所需的驱动电流，也用来采用电学法测试时测量灯具的结温；
④数据处理系统用于采集瞬态电学参数和光谱参数，通过合适的拟合算法进行数据的快速拟合、处理及LED灯具结温参数的显示，同时对电学测量系统和光谱测量系统进行实时控制。
测试系统的外观和内部结构如图4、5所示。该项目依据电学法和光谱法测试原理，系统中集成了两种测试方法，充分发挥两种测试方法的优势，可以对不同规格的LED灯具进行结温测量，适用范围较广。
（3）光谱结温测量技术的应用
利用光谱结温测量技术对1W的单颗LED采用电学法和光谱法两种测试方法进行测试，测试的数据证明测试系统误差较小，两者的数据基本一致；对江苏某公司送检的150W的LED路灯进行结温测试实验，不仅能够准确地测试模块的结温参数，光谱法测试结果更能有效地分析整个系统散热设计不合理的原因；对60W的LED模组在配备主动散热装置和传统散热装置的情况下进行结温测试实验（如图6所示），可以根据产品的设计要求为优化产品结构，降低成本提供有效的参考依据。
（4）光谱结温测量技术存在问题
光谱结温测量技术一直未得到普遍使用，原因在于其测量误差较大，对此，需采用高精度光谱仪及建立完善的热学模型以尽可能减少误差。目前，通过热电偶和triste3热测试系统对LED灯具ts测量数据与光谱结温测量系统进行结温测量数据比较，误差在(0.5~1.5)K,由此导致的寿命评估值偏差约在1000h，这对上万小时寿命的大功率LED路灯来说尚在可接受范围内。LED路灯测试样品如图8所示；LED路灯测试数据如图9所示。
LED道路照明产品寿命是影响其推广应用的重要因素，就目前而言，建议综合选用不同LED道路照明产品的加速寿命试验方法，以满足其产品开发产品应用等不同阶段产品质量控制的要求。我们有理由相信，随着各类加速试验方法研究的不断深入和突破，必将产生快捷准确的加速寿命试验技术和方法，这对加快LED照明产品的标准化、促进半导体照明光源的应用、加快LED产业的发展进程，最大程度地发挥LED产业的社会效应和潜在的商业价值，实现国家绿色照明与节能照明的目的起着重大影响。
责任编辑:ZY 来源:《照明》
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