LED灯具的可靠性

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【摘 要】通过对LED灯具的相关研究,总结分析了影响LED灯具寿命的主要因素,包括LED光源和驱动电源等,并对提高LED灯具寿命的几种有效途径进行了说明,对提高LED灯具可靠性有很大的意义.

【关 键 词】LED,可靠性,驱动电源,散热

1.引言

随着LED技术的飞速发展,LED灯具已经被人们广泛认可,发展潜力巨大,但是,目前还存在着标准和检测体系不完善的问题,导致市场上LED灯具的质量参差不齐,与理论上LED灯具的高可靠性有很大的差距,很大程度的限制了LED灯具更好的发展.本文主要对影响LED灯具的主要因素进行分析,并对提高LED灯具寿命的途径进行了说明.

2.影响LED灯具寿命的主要因素分析

LED灯具是由LED光源、驱动电源、散热部件以及透镜组合而成.通过以3WLED球泡灯为样品,在市场上选用多种品牌LED灯,进行高温老化实验和过流老化实验,实验结果显示,目前市场上一部分灯具的寿命是由LED光源的光衰和色衰引起的,另一部分灯具的寿命是由驱动电源的寿命决定,还有一小部分是由其他原因引起,如透镜的损坏导致了LED灯具无法使用.

2.1LED光源影响LED灯具寿命

对于LED光源本身,它的寿命非常长,但是,LED光源总要装在灯具中才能使用,LED单独作用和LED在灯具中工作是有差距的[1],从工作环境,电参数,热参数等方面都是有差别的.经过分析,LED光源的失效主要有以下几种失效模式,这几种失效模式中有任何一种失效模式出现,都会造成不同程度的LED失效,也可能同时引发其他的失效模式出现,进而加剧LED的失效.

（1）过热应力失效：是由于LED内部的温度大于其额定工作值或由于LED周期性的热量变化而引起的LED失效,

（2）封装失效：是在LED生产或者封装的过程中,由于方法不正确或其他原因而引起的LED失效,

（3）过电应力失效：是由于LED工作中的瞬时过高电流或承受高于额定电流值的参数而引起的LED失效,

（4）芯片失效：是LED芯片本身的缺陷或其他因素造成芯片的失效.

对LED光源来说,根据它的热学性能分析,LED的电能中只有一小部分转化为光能,还有大部分的电能要转化为热能,研究显示,电能光能转换的效率只有20%左右,还有大概80%的电能都转化成热能[2].随着工作温度的上升,LED会产生光衰,从而导致失效.根据美国照明工程学会（IES）制定的LM-80标准显示,LED光源的寿命是以光通量参数随工作时间而衰减,通常情况,光通量衰减为初始值的70%时认为寿命终结.

2.2驱动电源影响LED灯具寿命

对于LED灯具来说,除了LED光源的光衰问题是影响其寿命的重要参数之外,驱动电源质量的好坏也直接影响着LED寿命.驱动电源在LED灯具中的作用如心脏一样也是一个非常重要的部分,LED灯具不像其他照明产品可以直接使用市电工作,而是需要驱动电压在2-3V的范围之内才能驱动,因此对驱动电路的要求很高,对于不同使用条件下的LED灯,需要配套各自适用的电源适配器.驱动电源的寿命直接影响着LED整灯的寿命,尤其是驱动电源中的关键器件的寿命直接影响驱动寿命,如电解电容在高温下寿命会大大缩短,在电解电容的工作中,由于电解液的作用导致阳极金属氧化膜不断增厚,最终会使电容值C不断下降,同时,随着工作温度及工作时间增加,电解电容中的电解液会不同程度的挥发,导致驱动电源失效.在电子元器件中,通常有“十度法则”,即器件温度每升高10℃,则器件的寿命将会缩短1/3到1/2,因此可以看出温度对电子元器件影响较为显著[3].

对驱动电源的设计一般要满足以下几点要求：

（1）工作稳定：驱动电源要与灯具的长寿命特性相适应,要求能长时间稳定工作.

（2）转化效率高：电源的效率高了,可以降低它的功耗,减少灯具内部的发热量,从而降低灯具的温升.

（3）浪涌保护：LED抗浪涌的能力较差,特别是抗反向电压能力较差,一定要重视驱动电源的浪涌保护.

（4）保护功能：在异常状态下,如LED开路、短路、驱动电路故障等,电路要对自身和LED起到良好的保护作用.

2.3其他因素影响LED灯具寿命

除了LED光源的失效和驱动电源的失效,还有一些其他因素对LED灯具寿命都有影响.如：透镜在不同环境中容易受损或变形,导致LED灯具无法正常使用,封装的不合理导致LED整灯结构损坏,无法使用,防护措施不到位,使得潮湿、灰尘等因素对LED灯具的使用有很大影响.

3.提高LED灯具寿命的途径

3.1提高LED光源的寿命

（1）对封装材料的质量严格把关,如导电胶、硅胶、荧光粉、环氧、固晶材料、基座等.

（2）封装结构合理设计,比如不合理的封装会产生应力、引起断裂等.

（3）提高工艺技术,比如固化温度、压焊、封胶、装片和时间等都要严格按照要求进行.

3.2提高驱动电源的寿命

（1）选择高品质、长寿命的电容是提高驱动电源寿命的有效途径.

（2）降低流过电容的纹波电流和工作电压.

（3）提高电源驱动的效率,降低元件的热阻.

（4）做好防水处理等防护措施,同时要注重导热胶的选择.

3.3解决好散热问题

温度对LED照明产品的寿命影响很大,散热设计的好坏是LED灯具寿命的一个关键因素.用同等质量的芯片放入不同设计的灯具中,寿命相差很大,甚至能达到几十倍,所以,一种灯具的设计成功与否,除光路系统以外,其散热系统起着决定性作用.

对LED灯具的设计要求热阻比较低[4].LED散热一般包括系统级散热以及封装级散热,要降低灯具热阻就必须同时考虑这两种散热,封装级散热是在LED光源生产的过程中通过对封装材料、封装结构以及工艺水平的设计从而达到散热的目的.在封装散热设计方面,目前主要存在的有硅基倒装芯片结构,金属电路板结构散热,有固晶材料,环氧树脂等材料散热.系统级级散热主要是通过对相关技术的研究,从而对散热器进行创新和改进,随着大功率LED的普及,功率也越来越大,目前,系统级散热主要有热电制冷散热、热管散热和风冷强制散热等方法结构.

解决好散热问题是提高LED灯具寿命的有效途径,需要进一步的研究和创新.

4.小结

面对市场上LED灯具质量的问题,结合相关实验,对影响LED灯具寿命的主要因素进行了分析,主要存在LED光源引起的失效,LED驱动电源引起的失效,还有一些其他因素引起的失效.最后对有效提高LED灯具寿命的几种途径进行了说明,对LED灯具寿命的提高以及质量的保证有很大的意义.