功率LED性能的精確評估

　　了解和比較led的性能看似簡單直截：好像只要一份數(shù)據(jù)卡、 比較一下燈的輸出、效率及光通量的維持?jǐn)?shù)值就能做出決定似的。遺憾的是，任何基于早先技術(shù)規(guī)范頁面上的幾行數(shù)字， 不對LED在運(yùn)行條件下如何執(zhí)行所需應(yīng)用進(jìn)行分析所作出的購買和設(shè)計(jì)決定，都可能導(dǎo)致不能令人滿意的結(jié)果、導(dǎo)致昂貴的再設(shè)計(jì)和巨大的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，有關(guān)功率LED將會(huì)徹底改變照明行業(yè)潛力的激動(dòng)和興奮（甚至炒作）已經(jīng)受到一些照明設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)師的懷疑。這可能是因?yàn)橐恍┰缙诠虘B(tài)照明解決方案的失敗，未能履行其承諾的光輸出、效率與運(yùn)行壽命指標(biāo)造成的結(jié)果。許多情況下，大家都采用把數(shù)據(jù)卡中所給的LED性能直接轉(zhuǎn)換為燈具性能等級的假設(shè)，而實(shí)際上，情況并非如此，LED 制造商引述的性能數(shù)值與環(huán)境相異的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的功能是完全不同的。本文想表明的是，對需要作出購買LED和進(jìn)行設(shè)計(jì)決定的照明設(shè)備制造商而言，除嚴(yán)格審核數(shù)據(jù)卡中相關(guān)的數(shù)據(jù)外別無它法可選，并分析揭示了燈具實(shí)際運(yùn)行條件下，功率LED的實(shí)際指標(biāo)和壽命均低于數(shù)據(jù)卡數(shù)據(jù)，介紹了如何根據(jù)數(shù)據(jù)卡精確評估功率LED性能的具體方法。

　　二　差異與權(quán)衡

　　固態(tài)照明（ SSL：Solid-state lighting ）是個(gè)年輕的發(fā)展中產(chǎn)業(yè)，為了提高性能、增強(qiáng)競爭優(yōu)勢，新產(chǎn)品不斷引進(jìn)，也造成了LED產(chǎn)品的巨大差異。究其原因，不外乎

　　● 用于LED設(shè)計(jì)、制造和材料的差異

　　● 熒光材料的發(fā)展，不同熒光材料反應(yīng)出不同的熱和光

　　● LED的封裝可影響光線如何從封裝射出，多少熱量可被耗散熱和如何實(shí)施光學(xué)連接等特性

　　正因?yàn)榭刂乒β?LED 制造的因素如此復(fù)雜和多重，影響了LED的原始特能，必然造成相同燈具中不同品牌LED不存在性能相同的結(jié)果。

　　了解這一點(diǎn)很重要。因?yàn)楫?dāng)不同的兩家LED 制造廠商描述他們的功率 LED產(chǎn)品可在 350mA下提供最小 100lm光輸出，在某些包括，但不限于350mA輸入電流嚴(yán)格定義的環(huán)境下，這些數(shù)據(jù)確實(shí)不假，兩個(gè)功率 LED都可給出至少100lm光輸出。但如果情況發(fā)生改變，哪怕稍有改變，兩個(gè)功率 LED的性能就可出現(xiàn)顯著差異。

　　這兒有兩個(gè)潛在沖突，影響了LED性能的關(guān)鍵參數(shù)，它們是：

　　● 驅(qū)動(dòng)電流 —— 當(dāng)達(dá)到某一閾值時(shí)，LED施加的電流會(huì)更高，從而產(chǎn)生更多的光與熱；

　　● 工作溫度 —— LED越是發(fā)熱，產(chǎn)生的光越少。

　　正是它們共同影響了功率 LED的光輸出 （lm） 、效率 （lm/W） 、亮度維持和照明解決方案最終的實(shí)際性能。所以，設(shè)計(jì)燈具不管采用什么品牌的LED都須就驅(qū)動(dòng)電流和熱管理決策作出權(quán)衡。譬如，為了較高的光輸出而選擇高驅(qū)動(dòng)電流的決定恰恰會(huì)削減LED向目標(biāo)投射所需的光輸出，這對成本的影響很大，涉及的正是LED低效率和高工作溫度間的權(quán)衡。

　　這些權(quán)衡所有品牌的LED都需考慮，如果權(quán)衡失當(dāng)，其效應(yīng) —— 遭受損失后的痛苦尺度 —— 完全不同。這也就是前面所述的那些因素 —— LED設(shè)計(jì)和制造中的差異 —— 顯示的影響。實(shí)際上，LED一旦真正安裝進(jìn)燈具，不同LED性能間出現(xiàn)的不同將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出功率LED數(shù)據(jù)卡首頁標(biāo)注的差別。

　　三　評估實(shí)例

　　也許利用實(shí)例來說明更好。為使估算更易仿循，我們選了一個(gè)只對一盞只含單個(gè)LED的簡單臺(tái)燈作計(jì)算的例子，但其展示的原則和方法卻可用于任何固態(tài)照明設(shè)計(jì)。

　　我們設(shè)想您為照明設(shè)備制造商家的項(xiàng)目領(lǐng)銜工程師，須按規(guī)章工作，正打算設(shè)計(jì)一盞光輸出盡可能高的臺(tái)燈。這盞燈在工作50000小時(shí)后產(chǎn)生的光輸出至少應(yīng)能達(dá)新燈輸出水平的70%。當(dāng)然，該項(xiàng)目的關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)品牌的功率LED 作光源，故評估的第一步就是要比較制造廠商發(fā)布的數(shù)據(jù)卡中LED的原始光輸出指標(biāo)。正由于所選的LED系用于臺(tái)燈，其安裝空間必受限制。

　　本例比較了四家領(lǐng)先供應(yīng)商的高性能功率LED，分別標(biāo)作MFR 1-4，使用的均為廠家公開發(fā)表的資料，參見表1。

表1 小型功率LED產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)摘要

　　表中MFR 3 器件700mA的數(shù)據(jù)表明光輸出值高出其它器件較，故不能作為類似比較的項(xiàng)目。有趣的是，上表還反映出，不同制造商采取了不同方式來規(guī)定器件的溫度測試，有使混淆范圍進(jìn)一步擴(kuò)大之虞。出現(xiàn)這種差異的影響隨著評估的展開將愈發(fā)顯然。

但是，該數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)概要只是一個(gè)起點(diǎn)。設(shè)計(jì)概要即要求符合50000 小壽命目標(biāo)的最大光輸出，但利用350mA（每個(gè)數(shù)據(jù)卡的指數(shù)）驅(qū)動(dòng)LED ，并不能使光輸出最大，因此，我們代之以在更高的700mA指數(shù)下對全部四個(gè)LED作比較（見表 2）。表中器件用黑體字表示的部分系按在該器件的數(shù)據(jù)卡中找到的歸一化光通量圖（參見圖 1典型示例）所得。該圖提供了用于計(jì)算每個(gè)特定 LED 在更高電流下產(chǎn)生的輸出光通量因子。恰如我們現(xiàn)在從表 2所見，MFR 3 的光輸出已不再領(lǐng)先。不過，這里光輸出的領(lǐng)先者，仍然采用一對一和實(shí)際運(yùn)用環(huán)境的方式作出比較。

表2 700mA驅(qū)動(dòng)電流時(shí)LED的粗略比較

　　那么我們怎么來計(jì)算實(shí)際的光輸出和確定臺(tái)燈實(shí)際的工作溫度呢？為此，我們需要采用由各制造商所提供的數(shù)據(jù)卡中的溫度降額下調(diào)曲線。必須首先指定LED運(yùn)行的工作條件：環(huán)境溫度（℃）和通過熱阻值表示的燈具熱性能，它將受任何施加的熱管理方法，如散熱等強(qiáng)烈影響。

　　表3 給出采用諸如高環(huán)境溫度（對LED的應(yīng)力相對較高）和中等散熱條件的保守假設(shè)后，表2器件光輸出驚人改變的比較。

表3 實(shí)際工作溫度下LED光輸出的比較

　　需注意的第一點(diǎn)有意思的事是MFR 3器件在所有條件下均不能使用了，因?yàn)楹芨叩沫h(huán)境溫度將其溫度驅(qū)動(dòng)至141℃，比最大額定值還高出16 ℃。

　　還很有意思的是在上述條件下，MFR 1 器件因溫度已升達(dá)135 ℃，其的輸出比率也必會(huì)下降。對那些自吹700mA 電流尚有令人印象深刻的 164lm 輸出的器件，如考慮其溫度的話、則真實(shí)條件下，也只能產(chǎn)生 118lm輸出，明顯小于其余兩個(gè)器件?，F(xiàn)在，我們才可以說有了比較不同品牌LED的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。不過，我們?nèi)晕纯紤]50000 小時(shí)后維持70%光輸出的所有要求。

　　仔細(xì)查看有效數(shù)據(jù)所適用的運(yùn)行條件（參見表4）非常重要。就MFR 4器件言，其運(yùn)行條件與光通量維持曲線（需再強(qiáng)調(diào)的是，所有數(shù)據(jù)卡都會(huì)提供顯示光輸出比率隨時(shí)間推移下降的光通量維持曲線）是相符的，故該器件在135℃ 結(jié)溫處能夠提供50000使用小時(shí)；而在我們的臺(tái)燈示例中，LED 實(shí)際運(yùn)行的結(jié)溫為130℃。所以，現(xiàn)在可知新的MFR 4器件能產(chǎn)生133lm光輸出，50000小時(shí)后仍可至少提供70%的峰值輸出。

表4 符合50000 小時(shí)壽命要求的LED光輸出

　　表4 也給出了MFR 2器件在50000小時(shí)后可提供70% 峰值輸出的條件：結(jié)溫 —— LED 自身的溫度 —— 須為 85℃ 或更低。但在該例中，當(dāng)以700mA驅(qū)動(dòng) LED 使其光輸出更高時(shí)，MFR 2 器件的運(yùn)行溫度將遠(yuǎn)高于128℃。比較MFR 2與例中其他器件同時(shí)達(dá)到50000小時(shí)壽命最簡單的方法是降低驅(qū)動(dòng)電流值使其結(jié)溫為85℃。顯然，MFR 2必須將電流減至 407mA，只是在該電流下，器件產(chǎn)生的光輸出只有107lm，而非MFR 4器件在滿標(biāo) 700mA 時(shí)的133lm。由于407mA不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，客戶創(chuàng)建采用非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的解決方案，成本可能會(huì)因此增加。通常LED采用的驅(qū)動(dòng)電流可以是350 mA。

　　當(dāng)然，減少驅(qū)動(dòng)電流并不是可采取的唯一方法。其他選擇還包括：

　　● 放寬規(guī)范：即通過降低產(chǎn)品的使用壽命使少于50000小時(shí)，或通過減少提供峰值輸出的百分比，使略低于70% 的維持要求。

　　● 改善器件的熱管理：如通過增加散熱器的散熱能力。當(dāng)然，任何此類措施都需花費(fèi)一定代價(jià)，要么增加成本 （以增大散熱器為例），否則就是降低產(chǎn)品性能。

　　四　結(jié)論

　　總之，表1所示用于性能指標(biāo)的摘要及LED典型數(shù)據(jù)卡中的條件是與真正照明燈具應(yīng)用中的條件完全不同的。

　　當(dāng)所有的運(yùn)行條件——那些需明亮光線應(yīng)用中的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流，器件運(yùn)行的真正溫度，須遵守的維持要求——都被計(jì)及時(shí)，不同品牌LED的實(shí)際光輸出比較看來是極其不同的。只有基于LED實(shí)際應(yīng)用和企圖運(yùn)行環(huán)境的性能指標(biāo)分析才能作出適當(dāng)?shù)倪x擇決定。