浅析恒定温度应力下LED灯具的寿命评估

高翔 周杰 于东航

摘 要 本文简单介绍了当前LED光源光通量维持率相关标准的发展现状，基于当前标准背景下对恒定温度应力下LED灯具光通量维持率的预估进行简单分析。

关键词 LED光源;光通量维持率;温度应力老化

LED灯具属于固态冷光源，它是通过将半导体PN 结（二极管）内部的电子及空穴加以融合来发挥作用的，其光色因选取的LED材质的不同而不同。LED的优点：节能;单色性好;寿命长;安全可靠;其存在不足包括：发出的光流不大且有波动;由于白光LED是通过蓝光诱导YAG荧光粉产生，因此没有充分的显色性能;可能出现光衰现象，这是由于这类灯具在使用时温度增加，造成实际电压降低，光的强度下降，进而造成波长变化，加剧了光衰，甚至可能减少其使用时长;成本高[1]。

1LED光通量維持率相关标准的发展和现状

国家有关单位结合各种参数的LED灯具颁发了一系列技术标准及规范，譬如LED道路隧道照明产品节能资质认定技术规范（CQC3127-2013 ）、LED筒灯节能资质认定技术规范（CQC3128-2013 ）、反射型自镇流LED灯节能资质认定技术规范（CQC3129-2013）等三项节能认证技术规范，其中以光通维持率衰减到 70%时的累积燃点时间为对应LED灯具的寿命，并且最低寿命要求为30000h。

美国能源之星目前基于LED光源的测试方法发布了十余项标准其中关于LED灯具的有LM-79、LM-84、TM-28，针对LED模块的有LM-88、LM-85、LM-80、TM-21、TM-26、LM-87，其中IESLM-80-08，标准中要求预计LED光源流明维持寿命的最短试验持续时间为6000h，推荐的试验持续时间为10000h。IESTM-21-11，该标准是寿命试验测试结果进行数据处理的方法，是对IESLM-80-08标准中一个补充。IESTM-21-11通过对LED流明维持寿命的拟合推算近似预测产品的寿命[2]。

具体操作方式如下。①在低于1000h为间隔周期的条件下对光通量进行测定，测定总时长要超过6000h;②将0h的光通量当成零点，判断不同时长的光通维持率;③借助 （指数衰减方程）模拟出光通维持率特征曲线，如果测定总时长低于10000h，选择后5000h的数值进行曲线模拟;如果总时长在10000h以上，那么以整个时长的后面一半时间所得数据为基础进行方程模拟;④结合方程模拟情况得到α、β的大小，然后以此为条件，按照公式得到光源的使用时长，如果演算而得的使用时长超出去了全部测定时长的，则把总时长的5.5或者6倍当成预估的使用时长[3]。

2恒定温度应力下LED灯具光通量维持率的简单预估分析

达到寿命燃点时，由于被相关设施、透镜、机械元件等的材质性能及商品散热能力等的制约，LED的照明商品使用时长出现下降，一般反映为光通量减小或者光色漂移。基于商品某些元件间有交叉作用，通常以整个这类照明产品作为参照来展开其使用时长测验，所以具体参数的选取要结合产品的综合可操作性进行。我们视燃点内部温度为实验所受应力，设置一系列温度梯度，调控到梯度环境下（上下浮动2℃左右）对灯具展开燃点测试，再借助积分球—光谱辐射仪观获取内部环境中监测灯一直处于燃点时在不同温度条件下LED产品的使用时长有何变化。温度条件的设置及实验时试样参数形态的研究是我们需要重点关注的。在收集相关试样后，获取其在系列梯度内部温度下灯具各个元件的温度状态，进而找到温度应力测试的最高阈值。

寿命推算过程简单概述如下，采用 e 指数衰减公式对数据进行拟合，如公式所示：可计算其为70%时对应的寿命值，对照明LED模块进行加速寿命试验的前提是保证照明 LED 模块的失效机理不变。站在数学视角分析，我们从威布尔分布中看到的状态体现了产品失效的内在原因，即始终确保试样的各个参数形态稳定。所以在受到不同程度（i=1，2，3，4）应力时，LED照明灯具的使用时长呈现威布尔分布[4]，其具体方程式为：

引入阿伦尼斯（Arrhenius）方程模型，通过方程我们可以推出试验样品的特征寿命与施加的温度应力水平满足关系式：

通过光通量衰减系数计算照明LED模块的试验截止时间和某一温度应力下的工作寿命，取光通量衰减到初始值的70%作为失效判据，以此搭建寿命评估系统，通过对两组恒定温度应力下的光通量维持率进行拟合，便可推算出在常温25℃下LED灯具光通量维持率达到70%时的寿命时长。

参考文献

[1] LED筒灯节能认证技术规范：CQC3128-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2] 郝剑.LED灯具加速老化在线测试和快速寿命评估方法的研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2016.

[3] 董懿.照明LED模块使用寿命快速检测方法的研究[D].北京：中国计量学院，2012.

[4] 光源流明衰减测量方法：LM-80-2008[S].北京：中国标准出版社，2008.