LED照明产品加速衰减试验方法

LED照明产品加速衰减试验方法简介杨志豪，陈凯，李蕴，黄昊培（国家半导体光电产品检测重点实验室，广东江门529000）摘要：本文简要介绍了目前我国LED照明产品加速衰减试验方法与美国能源之星(ES)和国际照明委员会(IEC)在该领域的试验方法的异同，重点介绍了我国国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化委员会(CSAS)制定发布的联盟标准CSA020《LED照明产品加速衰减试验方法》的试验原理及试验流程，对企业增强自身市场竞争力和应对国际贸易技术壁垒具有积极的作用。关键词：衰减；寿命；LED灯；光通维持率中图分类号：TM923.34文献标识码：BMethodofAcceleratedDegradationforLEDLightingProductsYangZhihao,ChenKai,LiYun,HuangHaopei（StateKeyTestingLaboratoryofSemiconductorOptoelectronicProduct,Jiangmen529000,China）Abstract:ThisarticlediscussesthedifferenceofmethodofaccelerateddegradationforLEDlightingproductsamongAmericanEnergyStar(ES)andInternationalelectrotechnicalcommission(IEC)andChinese,andprobesintotheprincipleandtestprocessesofCSA020methodofaccelerateddegradationforLEDlightingproductsconstitutedbyChinaSolidStateLightingAllianceStandardizationCommittee(CSAS).Helpingtheenterprisestodealwithtechnicalbarrierstointernationaltradeandstrengthenmarketcompetitionhasapositiveeffect.Keywords:degradation;life;LEDlamps;lumenmaintenance引言当今社会，资源匮乏，能源紧张已成为全球经济发展的瓶颈。在供电日益趋紧的情况下，世界各国均不约而同地开始了新型照明光源的探索。LED作为一种新型LED光源，具有节能、环保、寿命长等优势。理论上可实现单只灯只消耗白炽灯10%的能量，比荧光灯节能50%，寿命是荧光灯的10倍、是白炽灯的100倍[1]。LED的诞生引发了人类第四次照明方式的革命，因此世界各国开始大规模普及、应用LED照明。随着LED照明产品的逐渐普及应用，出于对产品安全性、可靠性和节能环保性能的考虑，世界各国及国际组织相继出台了LED产品检测的相关标准。虽然LED生产厂商宣传LED灯具的额定寿命可以达到上万，甚至数万个小时，然而在实际使用中，因为受到各种因素的制约，LED寿命往往不尽如人意[2]。同时，由于市场竞争激烈、产品更新换代快、缩短开发时间便成为行业迫切需要。然而，制约新品开发时间的主要瓶颈在于评估产品寿命的可靠性试验方法落后，试验周期太长。国际上已有寿命评估的可靠性相关标准，主要以美国能源之星(ES)和国际照明委员会(IEC)体系为代表。针对LED灯具寿命的评估，二者都提出直接对灯具进行老化测试，或根据LED封装、LED模组等的老化试验数据进行推算，这些方法规定的老化时间至少需要6000小时以上[3]。我国国标GB/T24824中只提到有关LED模块的推算寿命测试方法，但对寿命推算算法未作出明确的说明[4]。因此，加快推进LED寿命快速检测方法的研究，对规范LED产品市场和促进LED行业的发展具有重要的意义。本课题受到江门市科技局科研项目基金支持，合同编号为201200501040881加速衰减试验方法原理IEC和ES主要是从LED照明产品光通维持率的角度给出产品的寿命定义。国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化委员会(CSAS)制定发布的联盟标准CSA020《LED照明产品加速衰减试验方法》在美国能源之星、LM-79、LM-80和TM-21的试验方法基础上，依据“e指数模型”、“Arrhenius加速模型”和“泊松分布”的理论基础，提出了一种全新的二阶段加速试验方法，能够将传统的6000小时测试时间大大缩短至2000小时以内，同时仍可以保持ES方法的质量与精度[5]。该方法主要适用于LED路灯、LED隧道灯、LED射灯、LED筒灯和LED球泡灯等LED照明产品，其他LED照明产品也可参照使用本标准的方法。1.1二阶段加速模型二阶段加速模型是假设LED照明产品随时间的光衰减可以用e指数来表示，如公式1所示，则可以用3600小时光通量衰减数据替代ES测试方法所需的6000小时的数据[6]。tte（式1）t是归一化的光通维持率，是拟合常数，由于归一化，等于1，根据Arrhenius方程随温度变化，如公式2所示。akTEAe（式2）公式2中，aE是激活能(eV)，k为波尔兹曼常数(58.617385/10eVK)，A为前缀因子，T为LED芯片结温。如果知道灯具正常工作条件下达到70%光通维持率的额定寿命时间为170|Tt，设正常工作条件下的结温为1T，由公式1可以计算出正常工作条件的值，进而可以得出91.8%、95%光通维持率的时间191.8|Tt和195|Tt等。以上为第一阶段光通量e指数加速。由此可知，若试验可得同一LED照明产品在正常工作和加速温度(结温为2T)下，光通维持率达到95%的时间，则根据公式1和公式2，可得：1221211195|95|akETTTTTTtet（式3）由3式可以看出，二阶段加速模型的两个加速过程，无论是先进行温度加速（①+②路径），还是先进行e指数加速（③+④路径），他们的先后顺序是可以调换的，结果不变，具体如图1所示。时间(Hrs)t95L91.8L1T2T①④②③图1二阶段加速模型的可互换性1.2理论参数计算按二阶段加速模型进行理论计算前，需对一些条件进行假设[6]：1）本方法取用0.45eV作为标准激活能；2）LED结温不应大于表1所示的标准结温；3）LED照明产品的供电电源是保持稳定的；4）环境温度为55℃、45℃和35℃时，LED结温分别比室温条件下高30℃、20℃和10℃。表1室温条件下的标准α值和标准结温标称寿命(h)预期光通维持率(%)标准α值标准结温(℃)25000701.4267E-0510530000701.1889E-0510335000701.0191E-0596参考大量市场上常见产品的LM-80数据，根据LED照明产品标称的寿命值，可对相应的标准α值、标准结温、前缀因子A和光通量衰减为95%的时间L95四个理论参数进行计算，具体流程见图2所示。开始结束对不同标称寿命，根据公式1，计算对应的标准α值根据产品实测数据和公式2，得允许的最高结温，作为标准结温根据公式2，计算得A值根据公式2，计算得不同温度下的α值根据公式1，计算光通量衰减95%的时间L95值图2理论参数计算流程图对不同预期寿命，得加速寿命计算结果如表2所示。表2加速寿命计算预期寿命(h)A值环境温度(℃)α值L95(h)L95取整数(h)2500014.3352.0369E-0525182550452.8564E-0517961800553.9399E-05130113003000012.8351.70377E-0530113050452.39761E-0521402150553.3177E-05154615503500014.3352.95333E-0534653500452.10958E-0524312450552.95333E-05173717502加速衰减试验CSA020标准提出的试验流程分：抽样、确定加速试验温度、进行加速试验、试验结果判定，共四步。抽样数量符合相互独立的泊松分布，测试时间和测试温度参照表2进行。3总结LED照明产品寿命及可靠性的测试需要考虑的影响因素纵多，如：LED光源、LED驱动、LED内部结构、供电电网中容易出现的瞬间电压（电流）冲击等等[7]，本文主要介绍了国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化委员会(CSA)制定发布的联盟标准CSA020，该标准主要适用于LED路灯、LED隧道灯、LED射灯、LED筒灯和LED球泡灯等LED照明产品，其他LED照明产品也可参照使用本标准的方法。对国外已经颁布执行的LED照明产品的寿命及可靠性相关测试标准及方法，并未进行详细的分析和介绍。参考文献[1]范力维,任豪.LED照明测试技术[J].中国照明电器.2010(6)[2]王爽,熊峰等.蓝光LED投光灯具高温老化光电性能研究[J].半导体技术2011(01)[3]LM-80-08.ApprovedMethodforMeasuringLumenMaintenanceofLEDLightSources[S][4]GB/T24824-2009.普通照明用LED模块测试方法[[S][5]TM-21-11.ProjectingLongTermLumenMaintenanceofLEDLightSources[S][6]CSA020-2013.LED照明产品加速衰减试验方法[S][7]发光二极管光通量的测量研究[J].中国照明电器.2008(7)作者简介：杨志豪，1983年出生，性别：男，籍贯：湖南武冈，学历：硕士研究生，职称：助理工程师，研究方向：环境光学联系方式：广东省江门市高新区汇源街1号国家半导体光电产品检测重点实验室，手机：[phone]，杨志豪。电子邮箱：[e-mail]