功率LED性能的精確評估

　　了解和比較led的性能看似簡(jiǎn)單直截：好像只要一份數據卡、 比較一下燈的輸出、效率及光通量的維持數值就能做出決定似的。遺憾的是，任何基于早先技術(shù)規范頁(yè)面上的幾行數字， 不對LED在運行條件下如何執行所需應用進(jìn)行分析所作出的購買(mǎi)和設計決定，都可能導致不能令人滿(mǎn)意的結果、導致昂貴的再設計和巨大的商業(yè)風(fēng)險。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)受到一些照明設計和結構師的懷疑。這可能是因為一些早期固態(tài)照明解決方案的失敗，未能履行其承諾的光輸出、效率與運行壽命指標造成的結果。許多情況下，大家都采用把數據卡中所給的LED性能直接轉換為燈具性能等級的假設，而實(shí)際上，情況并非如此，LED 制造商引述的性能數值與環(huán)境相異的應用中實(shí)現的功能是完全不同的。本文想表明的是，對需要作出購買(mǎi)LED和進(jìn)行設計決定的照明設備制造商而言，除嚴格審核數據卡中相關(guān)的數據外別無(wú)它法可選，并分析揭示了燈具實(shí)際運行條件下，功率LED的實(shí)際指標和壽命均低于數據卡數據，介紹了如何根據數據卡精確評估功率LED性能的具體方法。

　　二　差異與權衡

　　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設計、制造和材料的差異

　　● 熒光材料的發(fā)展，不同熒光材料反應出不同的熱和光

　　● LED的封裝可影響光線(xiàn)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

　　正因為控制功率 LED 制造的因素如此復雜和多重，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果。

　　了解這一點(diǎn)很重要。因為當不同的兩家LED 制造廠(chǎng)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輸入電流嚴格定義的環(huán)境下，這些數據確實(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的性能就可出現顯著(zhù)差異。

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

　　● 驅動(dòng)電流 —— 當達到某一閾值時(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，設計燈具不管采用什么品牌的LED都須就驅動(dòng)電流和熱管理決策作出權衡。譬如，為了較高的光輸出而選擇高驅動(dòng)電流的決定恰恰會(huì )削減LED向目標投射所需的光輸出，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衡。

　　這些權衡所有品牌的LED都需考慮，如果權衡失當，其效應 —— 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設計和制造中的差異 —— 顯示的影響。實(shí)際上，LED一旦真正安裝進(jìn)燈具，不同LED性能間出現的不同將遠遠超出功率LED數據卡首頁(yè)標注的差別。

　　三　評估實(shí)例

　　也許利用實(shí)例來(lái)說(shuō)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(jiǎn)單臺燈作計算的例子，但其展示的原則和方法卻可用于任何固態(tài)照明設計。

　　我們設想您為照明設備制造商家的項目領(lǐng)銜工程師，須按規章工作，正打算設計一盞光輸出盡可能高的臺燈。這盞燈在工作50000小時(shí)后產(chǎn)生的光輸出至少應能達新燈輸出水平的70%。當然，該項目的關(guān)鍵在于選擇適當品牌的功率LED 作光源，故評估的第一步就是要比較制造廠(chǎng)商發(fā)布的數據卡中LED的原始光輸出指標。正由于所選的LED系用于臺燈，其安裝空間必受限制。

　　本例比較了四家領(lǐng)先供應商的高性能功率LED，分別標作MFR 1-4，使用的均為廠(chǎng)家公開(kāi)發(fā)表的資料，參見(jiàn)表1。

表1 小型功率LED產(chǎn)品技術(shù)指標摘要

　　表中MFR 3 器件700mA的數據表明光輸出值高出其它器件較，故不能作為類(lèi)似比較的項目。有趣的是，上表還反映出，不同制造商采取了不同方式來(lái)規定器件的溫度測試，有使混淆范圍進(jìn)一步擴大之虞。出現這種差異的影響隨著(zhù)評估的展開(kāi)將愈發(fā)顯然。

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

表2 700mA驅動(dòng)電流時(shí)LED的粗略比較

　　那么我們怎么來(lái)計算實(shí)際的光輸出和確定臺燈實(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據卡中的溫度降額下調曲線(xiàn)。必須首先指定LED運行的工作條件：環(huán)境溫度（℃）和通過(guò)熱阻值表示的燈具熱性能，它將受任何施加的熱管理方法，如散熱等強烈影響。

　　表3 給出采用諸如高環(huán)境溫度（對LED的應力相對較高）和中等散熱條件的保守假設后，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，因為很高的環(huán)境溫度將其溫度驅動(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(huà)、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在，我們才可以說(shuō)有了比較不同品牌LED的現實(shí)基礎。不過(guò)，我們仍未考慮50000 小時(shí)后維持70%光輸出的所有要求。

　　仔細查看有效數據所適用的運行條件（參見(jiàn)表4）非常重要。就MFR 4器件言，其運行條件與光通量維持曲線(xiàn)（需再強調的是，所有數據卡都會(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(xiàn)）是相符的，故該器件在135℃ 結溫處能夠提供50000使用小時(shí)；而在我們的臺燈示例中，LED 實(shí)際運行的結溫為130℃。所以，現在可知新的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：結溫 —— LED 自身的溫度 —— 須為 85℃ 或更低。但在該例中，當以700mA驅動(dòng) LED 使其光輸出更高時(shí)，MFR 2 器件的運行溫度將遠高于128℃。比較MFR 2與例中其他器件同時(shí)達到50000小時(shí)壽命最簡(jiǎn)單的方法是降低驅動(dòng)電流值使其結溫為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(mǎn)標 700mA 時(shí)的133lm。由于407mA不是一個(gè)標準數值，客戶(hù)創(chuàng )建采用非標準數值的解決方案，成本可能會(huì )因此增加。通常LED采用的驅動(dòng)電流可以是350 mA。

　　當然，減少驅動(dòng)電流并不是可采取的唯一方法。其他選擇還包括：

　　● 放寬規范：即通過(guò)降低產(chǎn)品的使用壽命使少于50000小時(shí)，或通過(guò)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(guò)增加散熱器的散熱能力。當然，任何此類(lèi)措施都需花費一定代價(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　結論

　　總之，表1所示用于性能指標的摘要及LED典型數據卡中的條件是與真正照明燈具應用中的條件完全不同的。

　　當所有的運行條件——那些需明亮光線(xiàn)應用中的實(shí)際驅動(dòng)電流，器件運行的真正溫度，須遵守的維持要求——都被計及時(shí)，不同品牌LED的實(shí)際光輸出比較看來(lái)是極其不同的。只有基于LED實(shí)際應用和企圖運行環(huán)境的性能指標分析才能作出適當的選擇決定。