茅于海：深入分析LED光衰的重要原因

　　现在大家开始意识到，光衰是大功率LED路灯不能长期工作的主要原因，也开始认识到降低光衰的一个重要方法就是改进其散热。尽管如此，从这次深圳市灯光环境管理中心对各种路灯的测试结果来看，仍然有大多数路灯的光衰是不能满足使用要求的。1200小时亮灯后的光衰，最好的为8%，最差的为26%，平均为14%。按照Cree公司的测试结果，结温在105度时，14%光衰也应当要在工作了6000小时以后，可见大部分路灯的结温在105度以上。

　　可能不少公司不会同意这样的结果，因为他们认为他们的散热器都是经过精心设计的。实际情况可能也是如此，但是测试的结果也不容怀疑。问题出在哪里呢？

　　我认为，可能散热器也不至于设计得这么差，而可能是因为有一些路灯是采用恒压电源供电的结果。可是为什么采用恒压电源供电会引起光衰呢？这听上去好像有点天方夜谭。但实际上的确有这么严重。让我们来从头说起吧！

　　

　　图1. Cree公司LED的结温和光衰寿命试验结果

 

　　1．LED的伏安特性

 

　　我们都知道，LED是一个二极管，而二极管最重要的电特性就是它的伏安特性。图2中给出了Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性。

 

　　

　　图2. XLamp7090XR-E的伏安特性

 

　　2．LED伏安特性的温度特性

 

　　虽然它的样子和一般二极管没有什么两样，但是最大的不同在于它的温度特性。其实所有二极管的伏安特性都有温度特性的问题，可是就是LED是需要特别加以注意的。这是因为：

　　2.1 大功率LED的工作电流比较大，1W为0.35A，3-5W为0.7A，20W为1.05A，30W为1.75A，50W为3.5A。不过可能也会有人觉得，整流二极管的正向电流也可能达到这样大的数值的。

　　2.2 LED因为目前的发光效率还是比较低，所以大部分的输入电功率都是转化为热，所以它的发热很高，假如散热器做得不好，那么结温就会升得很高。

　　2.3 LED不同于整流二极管，它不是采用一般的硅材料做成的，而是采用特殊的材料（例如氮化镓）制成。所以它的伏安特性的温度特性也不同于一般二极管，而是要明显大于一般二极管。例如一般二极管的伏安特性的温度特性为-2mV/°C，但是Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性的温度特性却高达-4mV/°C，要比一般的二极管大一倍。

 

　　3． 由结温升高产生的问题

 

　　3.1 LED结温升高以后首先带来的是光输出降低。

 

　　

　　图3. XLamp7090XR-E的相对光输出随结温的升高而降低

 

　　3.2 结温升高引起伏安特性的左移

　　因为伏安特性的温度系数是负的，这意味着温度升高，特性左移。例如，假定结温升高50度，那么伏安特性就会左移200mV。

　　3.3 采用恒压电源供电会使LED正向电流随温升的增加而增加。

　　因为电源电压是恒定的，而伏安特性却左移了，其结果就是正向电流增加。从图2的伏安特性可以看出，假如常温下用3.3V的恒压电源供电，其正向电流为350mA；结温升高50度以后，伏安特性左移0.2V，那么相当于电源电压升高到了3.5V，这时候，正向电流就会增加到600mA。

　　3.4 采用恒压电源供电会引起温升增加的恶性循环

　　正向电流增加以后，因为电源电压没有变化，所以LED的输入功率增加到3.3Vx0.6A=1.98W，

　　几乎增加了一倍。但从图3可以看出，结温升高以后，光输出会降低，这意味着更多的输入功率转换为热能，也就是说如果这时候增加正向电流，它的光输出并不随着增加，反而降低。所以，这时的正向电流的增加只会引起结温增加，而不会使光输出增加。

　　所以，结温增加以后，正向电流增加，结温再增加，正向电流再增加，这就引起结温升高的恶性循环。

　　结论：采用恒压电源供电会使结温升高，光衰加大，寿命缩短。

　　所以，从前面的分析，可以得出这样的结论：采用恒压电源供电会使结温升高，而结温增加的结果就是光衰加大，寿命缩短。假定LED在常温25度时开机，开机以后结温就会升高，假定散热器设计为温升至75度，也就是结温增加了50度，那么就会使得正向电流增加至600mA。总功率从1.155W增加到1.98W，增加了0.825W。而这部分所增加的功率几乎全部转换为热量。假定原来LED的发光效率为30%，也就是70%的输入功率（0.8W）都转换为热能。现在又多了一倍的热能需要从散热器散出去。显然，这是原来的散热器设计没有考虑到的。这就使LED的结温又升高50度，变成了125度。我们回到图1来看光衰曲线，125度的光衰为14%的寿命也就差不多为1200小时，那么也就可以解释为什么一个精心设计的散热器，如果采用恒压电源供电，其结果仍然是光衰很大，寿命很短了！

　　所以，给LED供电，一定要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化，伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！