LED照明产品的性能参数及测试研究

时 佳

(杭州鸿雁电器有限公司，浙江杭州310023)

0 引言

随着发光二极管(Light Emitting Diode，LED)技术的飞速发展，其性能不断得到提升，产品层出不穷，国家标准的制定已经赶不上产品的更新。作为新一代的照明光源，LED具有功耗低、体积小、寿命长、亮度高、可控性强以及PN结电特性等特点，由于与传统的照明产品有着较大差异，因此在品质的评价和检测方法方面产生了许多新的问题，且对LED测试方法及测试设备的要求更加苛刻，测量精准度也要求更高。不同的应用场合，决定了对LED产品的不同性能要求。从光学性能来看，用于显示的LED，主要是亮度、视角分布、颜色等参数。用于普通照明的LED，更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色指数等参数，而生物应用的LED，则更关心生物有效辐射功率、有效辐射照度等参数［1、2］。

1 LED产品的性能参数

1.1 LED的光学性能

光学性能评价中，光通量和亮度是照明功能的体现，发光效率是重要的节能指标，而光强分布、色温及显色指数是照明质量和效果的评价指标。其中，光通量随着驱动电流的增加而增大，而亮度具有很强的方向性，与环境温度有关，环境温度升高，亮度减小，环境温度不变时，电流增大足以引起结温升高，温升后，亮度呈饱和状态［3］。LED的光谱分布曲线与半导体材料的元素、性质及pn结结构(外延层厚度、掺杂杂质)等有关，与器件的几何形状、封装方式无关。显色指数是评价光源显示物体颜色能力的指标，它和色温指标之间没有必然的联系。具有不同光谱分布的光源可能有相同的色温，但显色性可能差别很大。照度作为另外一项重要的指标与色温的对应关系满足照明舒适感的条件是:低照度低色温、高照度高色温。

1.2 LED的电性能

LED具有单向非线性导电、低电压驱动以及对静电敏感等半导体器件特性，同时作为化合物材料制成PN结的光电器件，具备PN结结型器件的电学特性:I-V特性、C-V特性、功耗、响应时间等。

I-V特性是表征LED芯片PN结制备性能的主要参数，具有非线性和整流性质。C-V特性呈二次函数关系，由于PN结面积大小不一，因此其结电容也不同。LED工作时，外加正向偏压促使载流子复合发出光，一部分变为热，使结温升高。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助基座向外传热，散逸热量，可表示为P=KT(Tj－Ta)。LED响应时间反映了器件的电输入转换为光输出的速度快慢，主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

1.3 LED的热性能

LED的热性能参数主要是结温和热阻。结温测试时，LED一般工作在小电流，如:＜10mA，或者10～20mA，长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或峰值波长就会向长波长漂移，亮度也会下降。LED的主波长随温度关系可表示为λp(T)=λo(To)+ΔTg×0.1nm/℃［4］。由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。目前作为照明用的灯具设计通常是光源小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度，因此对于散热的要求也比较高，需要用散热好的散热器或灯具外壳作为传导和辐射的介质，从而确保LED的工作寿命和光效。

2 LED产品的性能测试

LED的光学性能测试主要有两种配光曲线:即发光强度的空间分布和光谱分布。发光强度的空间分布是一个三维图形，而作为其中的一个剖面的配光曲线则是一个二维图形，且一般都采用极坐标表示。如图1所示为LED灯管的空间光强分布曲线(单位:cd)，如图2所示为LED格栅灯的空间光强分布曲线(单位:cd)。

图1 灯管光强分布曲线

图2 格栅灯光强分布曲线

图1 中灯管曲线为cosθ或cosnθ(1≤n≤3)分布，而图2格栅灯垂直于灯管平面的曲线分布为蝙蝠翼配光设计，最大光强位于轴线两边，对称分布，对于室内照明配光设计而言非常科学合理，避免灯具垂直入射造成工作面反射及高辐射亮度对人眼的危害，有效地利用灯具配光设计解决了空间亮度分布和眩光的问题。因此，结合光源的配光设计以及灯具反射器的有效利用可以为市场提供设计科学合理的照明灯具，提高空间的照明利用，降低能源消耗。

如图3所示是双管支架灯亮度限制曲线，对应眩光等级表及使用照度值，得到灯具的照明质量等级为D级。为进一步提高照明质量等级对芯片进行重新布局、对亮度分布进行限制，减少眩光对人眼的影响，从而提高照明质量。如图4所示，通过芯片的布局改善，照明质量等级提高到B级。

图3 双管支架灯的亮度限制曲线

图4 改善后双管支架灯的亮度限制曲线

LED芯片温度的测试方法众多，目前常用的是电压法热性能测试，由于特定电流下LED的正向压降Vf与LED芯片的温度成线性关系，因此只要测试两个以上温度点的Vf值，就可以确定该LED的电压温度系数K值，即K=△Vf/△Tj，K值确定后，通过测量实时的Vf值，计算出芯片的结温。在测量瞬态和稳态条件的结温的基础上，可以根据Rja=△T/P=(Ta－Tj)/P算出LED相应的热阻值，其中Ta是系统内参考点的温度(如基板温度)，Tj是结温，P是使芯片发热的功率，对于LED可以认为是LED电功率减去发光功率。

改变LED的工作电流和环境温度可以分析热性能对LED的影响。如表1所示是额定工作电流为350mA的LED器件热性能测试数据:

表1 不同工作电流下的LED特性

根据测试结果可以得到，在一定环境温度下，随着工作电流的增大，LED的光输出增大，但是显色指数和照明效率却逐渐下降，而发光效率和光电转换效率却不是在电流值最大的情况下达到最高。因此，应该依据实际需要来设计LED的工作电流，对于需要增大光输出的需求，电流越大越好，但是从环保节能的角度出发，则应该选择发光效率最高的工作电流。同理可以得到工作电流一定，不同环境温度对LED性能的影响，如表2所示:

表2 不同环境温度下的LED特性

测试结果显示随着温度的升高，LED的工作电压、光通量、光功率、发光效率、光电转换效率都逐渐减小，只有显色指数逐渐升高。

3 结束语

目前，关于LED的光、色、电、热性能等存在着以下几个问题:(1)色容差和显色指数不理想，尤其在高色温情况下，色温偏差大，色彩还原性不佳［5］，且一些厂家牺牲颜色特性，片面追求高光效，也造成了以上问题;(2)LED的窄光束分布造成区域的高辐射亮度，与低照度区域的强烈对比容易形成眩光，对人眼造成相应程度的影响;(3)LED的光、色、电参数随结温变化，散热性和稳定性还有待进一步提高;(4)LED的配光设计还有待整体的提高，对空间光强分布进行科学合理地设计，提高光的使用效率。综上所述，对于LED各性能参数的研究至关重要。

［1］ 杨奇勇，张建平，赵燕华.LED照明产品及灯具的光学性能测试研究［J］.照明工程学报，2009，20(1):69－76.

［2］ 虞建栋，孙浙徽，王建平.LED 的测量与热性能［DB/OL］.http://www.lightingchina.com/zhuanti/630.html，2008 －04－14.

［3］ 北京朗波尔光电股份有限公司.灯具光学基础［DB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/37961e4d2e3f5727a5e962a4.html，2010 －12 －07.

［4］ 兴宝亨电子有限公司.大功率 LED和 LED灯具的热性能测试［DB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/6954e68583d049649b665840.html，2010 －07 －02.

［5］ 深圳市拓金自动化设备有限公司.LED性能［DB/OL］.http://www.ledmach.com/threestyle/ledmach/companyintro.html，2011 －01 －20.