功率LED性能的精确评估

    一　引言

　　了解和比较led的性能看似简单直截：好像只要一份数据卡、 比较一下灯的输出、效率及光通量的维持数值就能做出决定似的。遗憾的是，任何基于早先技术规范页面上的几行数字， 不对LED在运行条件下如何执行所需应用进行分析所作出的购买和设计决定，都可能导致不能令人满意的结果、导致昂贵的再设计和巨大的商业风险。事实上，有关功率LED将会彻底改变照明行业潜力的激动和兴奋（甚至炒作）已经受到一些照明设计和结构师的怀疑。这可能是因为一些早期固态照明解决方案的失败，未能履行其承诺的光输出、效率与运行寿命指标造成的结果。许多情况下，大家都采用把数据卡中所给的LED性能直接转换为灯具性能等级的假设，而实际上，情况并非如此，LED 制造商引述的性能数值与环境相异的应用中实现的功能是完全不同的。本文想表明的是，对需要作出购买LED和进行设计决定的照明设备制造商而言，除严格审核数据卡中相关的数据外别无它法可选，并分析揭示了灯具实际运行条件下，功率LED的实际指标和寿命均低于数据卡数据，介绍了如何根据数据卡精确评估功率LED性能的具体方法。

　　二　差异与权衡

　　固态照明（ SSL：Solid-state lighting ）是个年轻的发展中产业，为了提高性能、增强竞争优势，新产品不断引进，也造成了LED产品的巨大差异。究其原因，不外乎

　　● 用于LED设计、制造和材料的差异

　　● 荧光材料的发展，不同荧光材料反应出不同的热和光

　　● LED的封装可影响光线如何从封装射出，多少热量可被耗散热和如何实施光学连接等特性

　　正因为控制功率 LED 制造的因素如此复杂和多重，影响了LED的原始特能，必然造成相同灯具中不同品牌LED不存在性能相同的结果。

　　了解这一点很重要。因为当不同的两家LED 制造厂商描述他们的功率 LED产品可在 350mA下提供最小 100lm光输出，在某些包括，但不限于350mA输入电流严格定义的环境下，这些数据确实不假，两个功率 LED都可给出至少100lm光输出。但如果情况发生改变，哪怕稍有改变，两个功率 LED的性能就可出现显着差异。

　　这儿有两个潜在冲突，影响了LED性能的关键参数，它们是：

　　● 驱动电流 —— 当达到某一阈值时，LED施加的电流会更高，从而产生更多的光与热；

　　● 工作温度 —— LED越是发热，产生的光越少。

　　正是它们共同影响了功率 LED的光输出 （lm） 、效率 （lm/W） 、亮度维持和照明解决方案最终的实际性能。所以，设计灯具不管采用什么品牌的LED都须就驱动电流和热管理决策作出权衡。譬如，为了较高的光输出而选择高驱动电流的决定恰恰会削减LED向目标投射所需的光输出，这对成本的影响很大，涉及的正是LED低效率和高工作温度间的权衡。

　　这些权衡所有品牌的LED都需考虑，如果权衡失当，其效应 —— 遭受损失后的痛苦尺度 —— 完全不同。这也就是前面所述的那些因素 —— LED设计和制造中的差异 —— 显示的影响。实际上，LED一旦真正安装进灯具，不同LED性能间出现的不同将远远超出功率LED数据卡首页标注的差别。

　　三　评估实例

　　也许利用实例来说明更好。为使估算更易仿循，我们选了一个只对一盏只含单个LED的简单台灯作计算的例子，但其展示的原则和方法却可用于任何固态照明设计。

　　我们设想您为照明设备制造商家的项目领衔工程师，须按规章工作，正打算设计一盏光输出尽可能高的台灯。这盏灯在工作50000小时后产生的光输出至少应能达新灯输出水平的70%。当然，该项目的关键在于选择适当品牌的功率LED 作光源，故评估的第一步就是要比较制造厂商发布的数据卡中LED的原始光输出指标。正由于所选的LED系用于台灯，其安装空间必受限制。

　　本例比较了四家领先供应商的高性能功率LED，分别标作MFR 1-4，使用的均为厂家公开发表的资料，参见表1。

表1  小型功率LED产品技术指标摘要

　　表中MFR 3 器件700mA的数据表明光输出值高出其它器件较，故不能作为类似比较的项目。有趣的是，上表还反映出，不同制造商采取了不同方式来规定器件的温度测试，有使混淆范围进一步扩大之虞。出现这种差异的影响随着评估的展开将愈发显然。

但是，该数据作为设计概要只是一个起点。设计概要即要求符合50000 小寿命目标的最大光输出，但利用350mA（每个数据卡的指数）驱动LED ，并不能使光输出最大，因此，我们代之以在更高的700mA指数下对全部四个LED作比较（见表 2）。表中器件用黑体字表示的部分系按在该器件的数据卡中找到的归一化光通量图（参见图 1典型示例）所得。该图提供了用于计算每个特定 LED 在更高电流下产生的输出光通量因子。恰如我们现在从表 2所见，MFR 3 的光输出已不再领先。不过，这里光输出的领先者，仍然采用一对一和实际运用环境的方式作出比较。

表2  700mA驱动电流时LED的粗略比较

　　那么我们怎么来计算实际的光输出和确定台灯实际的工作温度呢？为此，我们需要采用由各制造商所提供的数据卡中的温度降额下调曲线。必须首先指定LED运行的工作条件：环境温度（℃）和通过热阻值表示的灯具热性能，它将受任何施加的热管理方法，如散热等强烈影响。

　　表3 给出采用诸如高环境温度（对LED的应力相对较高）和中等散热条件的保守假设后，表2器件光输出惊人改变的比较。

表3  实际工作温度下LED光输出的比较

　　需注意的第一点有意思的事是MFR 3器件在所有条件下均不能使用了，因为很高的环境温度将其温度驱动至141℃，比最大额定值还高出16 ℃。

　　还很有意思的是在上述条件下，MFR 1 器件因温度已升达135 ℃，其的输出比率也必会下降。对那些自吹700mA 电流尚有令人印象深刻的 164lm 输出的器件，如考虑其温度的话、则真实条件下，也只能产生 118lm输出，明显小于其余两个器件。现在，我们才可以说有了比较不同品牌LED的现实基础。不过，我们仍未考虑50000 小时后维持70%光输出的所有要求。

　　仔细查看有效数据所适用的运行条件（参见表4）非常重要。就MFR 4器件言，其运行条件与光通量维持曲线（需再强调的是，所有数据卡都会提供显示光输出比率随时间推移下降的光通量维持曲线）是相符的，故该器件在135℃ 结温处能够提供50000使用小时；而在我们的台灯示例中，LED 实际运行的结温为130℃。所以，现在可知新的MFR 4器件能产生133lm光输出，50000小时后仍可至少提供70%的峰值输出。

表4  符合50000 小时寿命要求的LED光输出

　　表4 也给出了MFR 2器件在50000小时后可提供70% 峰值输出的条件：结温 —— LED 自身的温度 —— 须为 85℃ 或更低。但在该例中，当以700mA驱动 LED 使其光输出更高时，MFR 2 器件的运行温度将远高于128℃。比较MFR 2与例中其他器件同时达到50000小时寿命最简单的方法是降低驱动电流值使其结温为85℃。显然，MFR 2必须将电流减至 407mA，只是在该电流下，器件产生的光输出只有107lm，而非MFR 4器件在满标 700mA 时的133lm。由于407mA不是一个标准数值，客户创建采用非标准数值的解决方案，成本可能会因此增加。通常LED采用的驱动电流可以是350 mA。

　　当然，减少驱动电流并不是可采取的唯一方法。其他选择还包括：

　　● 放宽规范：即通过降低产品的使用寿命使少于50000小时，或通过减少提供峰值输出的百分比，使略低于70% 的维持要求。

　　● 改善器件的热管理：如通过增加散热器的散热能力。当然，任何此类措施都需花费一定代价，要么增加成本 （以增大散热器为例），否则就是降低产品性能。

　　四　结论

　　总之，表1所示用于性能指标的摘要及LED典型数据卡中的条件是与真正照明灯具应用中的条件完全不同的。

　　当所有的运行条件——那些需明亮光线应用中的实际驱动电流，器件运行的真正温度，须遵守的维持要求——都被计及时，不同品牌LED的实际光输出比较看来是极其不同的。只有基于LED实际应用和企图运行环境的性能指标分析才能作出适当的选择决定。