LED路灯技术与高压钠灯的分析比较

LED路灯技术与高压钠灯的分析比较最近听到不少专家学者的意见，认为LED作为路灯来取代高压钠灯在技术上还不成熟。主要的理由有以下几点：1．LED的发光效率无法和高压钠灯相比2．LED的照射过于集中，其照射的均匀度差3．LED路灯的长期光衰严重，寿命不长4．LED发光量不稳定（短期光衰），会随时间、季节变化5．LED路灯本身自重过重，不利于安装，防风。6．LED路灯造价过高，无法普及。当然，所有这些都是根据国内很多试验线路的使用经验得出的。是有一定依据的。但是国内的试验线路的性能，能不能代表LED目前的状况是值得探讨的。1.发光效率问题目前来说，LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。目前LED在65－75流明/瓦，而高压钠灯可以达到125流明/瓦。但是，高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低只有2000－2500oK，而LED的色温较高，可以达到3500－4500以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。还有，高压钠灯的显色指数差，只有20到40，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75－80。所以路面明亮，感觉舒适。所以从实际的发光效果来看，LED反而可以比高压钠灯高出很多。100W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。100W的LED，其输出光通量大约只有6250流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6000流明，而路面的平均照度可以达到16Lux（12m高杆）。250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。但到达路面的流明数就只有7000流明。路面的照度大约为30－40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以100W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。二者相当。所以，100W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能2.5倍。2．照射均匀度问题的确，如果不进行二次光学设计，LED的照射是比较集中，所以一定要进行二次光路设计，使其光强呈蝙蝠形。所以这个问题是很容易解决的。3．LED的光衰问题现在有的商家，为了降低成本，就采用几百只φ5的小功率LED。然而这种小功率的LED的光衰是非常严重的，按照其光衰至80％的寿命只有1000小时。所以，作为需要长期使用的路灯是绝对不能允许采用这种小功率LED的。作为大功率LED，其光衰就要好很多。然而国内不少厂家也还是只能做到10000小时下降10％。远远不能满足使用要求。实际上，LED寿命问题主要是由于长期在高温下工作而形成的问题。在不同结温时的寿命如下图所示：当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。目前来说，在LED的发光效率还没有提高到极高的程度，还只能尽量改善其散热来延长LED的寿命。台湾的一家光炬科技有限公司（LightTorchTechnology）已经很好地解决了这个问题。他们采用了回路热管（LHP）冷却技术来散热。采用了回路热管散热技术可以把LED的结温降低到65℃，这就大大地提高了LED灯具的使用寿命。他们经过了3年实际测试表明，在每天工作12小时，其光衰小于3％。预计在工作十年以后，其光衰只有20％。这就基本上解决了寿命的问题。4．LED发光量的稳定问题这个问题实际上是由电池放电的降压和LED的温度特性造成。通常蓄电池的放电过程大约有10％以上的压降。对于一个1W的LED，假如正向电压从3.4变到3.1V，其正向电流将会从350mA降低至100mA。即改变250mA。其输出光通量将会降低60％左右。此外，通常LED的伏安特性具有负温度系数，大约为－2mV/℃。如果环境温度变化50℃，那么正向电压就有可能变化0.1V。对于一个1W的LED，其正向电流就有可能变化100mA,即从350mA降低至250mA。而其发光量也会降低20％。相当于随温度变化的光衰。为了彻底解决这个问题，就必须要采用恒流芯片来保持LED的正向电流不变。PAM2842是一种可以供给30个1瓦LED的恒流控制芯片，它可以在不论是由温度变化还是由电池放电所引起的电压变化情况下，保持LED的正向电流在3％以内。也就是可以保持其短期光衰在3％以内。5．LED灯具的自重问题的确，目前，大部分厂商所生产的LED灯具，其自重极重，通常都超过10公斤。这样大的自重往往会使灯杆不胜负荷，降低了其抗风能力。这主要是由于采用了巨大的散热器而造成的。同样假如采用热管作为散热器，就可以大大减轻其重量。光炬科技公司所生产的100W的LED灯具（LT－100－W2），其自重只有5.5公斤.而能够完全取代250瓦的高压钠灯。因为其自重很轻，所以可以采用12m高杆，因为采用蝙蝠形的二次光路，其照射范围可以达到66m。6．LED灯具的造价问题目前由于LED本身的单价比较高，所以整个LED的成本比较贵。但是，由于LED在技术上的进步很快。其成本降低也很快。现在1W的LED单价大约在8元人民币左右，100个也只不过800元。整个灯具的单价会在2000元左右。而太阳能灯具的单价也可以控制在4500元左右。其实对于LED灯具，不应该只考虑其单个灯具的单价，而应该考虑其整条线路的工程投资，不应该只考虑其初始投资，而应该考虑其营运投资。假如采用太阳能路灯，那么其每年的节省远远超过其初始投资。下面举一个例子来说明：假定普通高压钠灯每个单价为1500元，而太阳能100瓦LED灯具每个单价13,500元。假定其照射范围可以达到66米。那么对于3公里、5公里和10公里这三种不同的距离，我们来比较一下它们的初始投资（灯具），架设成本（只考虑电缆，还没有考虑变压器）和营运成本（电费）。其结果如下表所示：所以，五年下来，采用太阳能LED路灯，可以节省总开支分别为1.78万、33.4万、和246万元。其节省是十分可观的。所以，综上所说，LED路灯在技术上的关键问题就是要采用回路热管散热和采用恒流芯片稳流。希望国家应当把它制定为标准。这样LED路灯就可以大面积推广了。道路照明用高效LED的可靠性研究1.引言近年来，在户外照明领域，新型LED路灯正引起众多产业界和投资者的关注，全国有数百家企业推出了各自的LED路灯产品，几乎各个城市都有或多或少的LED路灯已经安装到城市的干道上。然而在众多的产品序列中，良莠不齐，一些产品仍欠完善，其中问题最大的是LED路灯的整体可靠性。LED道路照明系统不同于传统照明灯具，相对要复杂得多，影响整体可靠性的因素也多。参见图（1）。在研究其系统可靠性时必须考虑其固有的特点。1）光源模块本身的技术指标受多种因素的制约2）光源模块的参数离散性很大3）器件可靠性对散热的依赖性极大4）LED的驱动电源设计寿命远落后于LED光源在众多因素中，LED发光器件本身的性能指标无疑是决定灯具光效、寿命等性能的最主要部件，也是目前最受人关注的研究方面。为了改进性能和提高可靠性，我们对影响LED发光器件可靠性的主要因素进行分析研究，初步探讨了LED光源的失效机理。2.LED芯片的固晶热阻分析固晶热阻是芯片与基座间的固晶层引入的热阻，对芯片的散热效果有很大影响，是总的封装热阻的主要组成部分，目前对不同材料的固晶热阻的分析一直停留在数值仿真阶段。现有的热阻测试设备并无法区分各部分引入的热阻，而实际工艺中往往需要对固晶热阻进行评价，为此，我们从前向电压法出发研制的动态结温测试方法，能有效地分析固晶层热阻的新方法。目前遇到的很多类固晶材料，这些材料的热导率从0.2~60W/K·m不等，使用不同材料封装时引入的固晶热阻不同，为了研究固晶热阻随热导率的变化关系，我们对一个简单模型内的固晶热阻做了数值仿真分析，忽略芯片自身的温度梯度，结构为1x1x0.1mm的1WLED芯片固晶于30x30x5mm的铝基板上，环境温度为20℃，固晶层厚25μm。固晶材料热导率为18W/K.m时，通过专业热仿真软件仿真得到芯片及基板局部温度分布如图2所示，芯片温度为54.06℃，基板温度为52.77℃，此时固晶热阻为1.29K/W。设置固晶层材料热导率从2~60W/K.m变化，仿真得到固晶热阻如图3中曲线变化。图2热仿真温度分布图图（3）固晶热阻随固晶材料热导率的变化（固晶层厚25微米）可以看到固晶热阻与固晶材料的导热率有关，固晶层厚度为25微米时，固晶材料的热导率增大时固晶热阻不断减小，在材料热导率达到22以上时，热阻小于1，之后热阻随材料热导率的增加变化不如前期明显。然而在实际的封装参数测试中，会发现期间的封装热阻比理论计算值要大许多，这其中的原因一是固晶材料的导热率实际值与厂家给出的额定值有偏差，例如用银胶固晶，此偏差与银胶材料的保存、涂覆、固化工艺有关。另一原因是固晶厚度的控制远非理想情况。一般来讲，固晶热阻与固晶层厚度成正比关系，因此基座材料的表面平整度，胶体固化后内部的微气泡、杂质，厚度的偏离多会造成固晶热阻的上升。为考察实际固晶层的质量，对一批相同工艺、相同材料封装、不同热阻参数的LED器件解剖分析。图5和图6是其剖面图，银胶的导热率约为12。由图可见固晶层的实际厚度在同一批次的产品中都会有不同的数值，且差距不小。图（4）固晶层剖面图（固晶层厚15微米图（5）固晶层剖面图（固晶层厚60微米）图（4）所示的固晶层热阻小于1.25K/W，而图（5）所示的固晶层热阻达到5K/W以上，这还只是理论的计算，实测其热阻值会更大。这类LED器件在路灯中使用无疑将对整灯系统的寿命产生不利影响。由此可见，在选择固晶材料时需要综合考虑热导率及固晶层可以达到的最小厚度，而封装工艺则需考虑如何保证固晶层尽可能地薄，并且能保持一致。因此目前一些固晶材料（如Sn80Au20）不仅热导率很高，由于使用共晶焊工艺，固晶层厚度也比传统的银胶薄，散热效果要好于传统银胶固晶。3.LED的可靠性分析发光二极管的失效表现为突变失效和缓变失效，突变失效主要由静电击穿、金线断裂、固晶材料老化等引起，缓变失效的原因比较复杂，包括荧光粉及芯片的物理失效。在功率型发光二极管应用中，影响寿命的两个主要应力是温度和电流，因此本试验中利用温度和电流两个应力分别对器件进行加速老化，分析寿命分别和温度、电流的关系。只考虑温度时可以使用Arrhenius模型。，其他电流下的寿命也可由表达式推出。加速老化试验可以选择温度或电流加速老化，温度加速老化时，选择两个以上不同温度T1，T2进行老化试验，得到两个不同温度下的寿命，根据Arrhenius模型中寿命与温度的关系可以拟合得到反应的激活能Ea及系数A，由此可以推断出其他温度下的寿命；电流加速老化时同样在相同温度下选择两个以上不同的电流I1，I2进行试验，拟合得到系数B及指数我们对2批不同的大功率LED进行了加速老化测试，在不同应力条件下，光通量的衰减速率不同的，根据反应速度论模型的分析，光通量将以指数形式衰减，衰减速率为反应速率为R（T，S1，S2，…），以σ定义的寿命，定义光通量衰减至70%的时间为发光二极管的寿命，根据拟合的衰减曲线可以推断出不同温度下发光二极管的寿命。表格1不同应力条件下LED的寿命对不同结温下的寿命数据进行指数拟合，可以得到寿命随温度的变化曲线：，可以得出这类发光二极管的性能退化的激活能Ea为1239K，并且可以预测其他温度下发光二极管的寿命，如T=30℃时寿命小时。4.结论芯片的固晶技术是LED封装的一个重要方面，固晶质量对散热性能有很大的影响，不同的固晶材料由于热导率不同，而采用合适的工艺，保证固晶层的厚度也显得尤为重要，同时正确地对封装热阻的测试技术也是提高大功率LED封装质量不可或缺的手段。对通过一定外加应力情况下老化，得到了不同应力下功率型发光二极管的寿命，应用反应速率模型推断出发光二极管的寿命随温度或电流的变化，对于预测不同种类和质量的LED的寿命是一个较为可靠的参考。实用电源设计Q&A系列之四——面向固态照明应用的高功率LEDQ1：功率LED和现在我们使用的传统光源相比效率如何？A1：自从上