LED光源加速寿命实验

1、研究课题：LED光源加速寿命试验姓名：罗星光班级：工业工程121班学号：5404312104目录1.LED光源相关简介11.1什么是LED光源11.2LED光源的发光原理21.3LED光源的优点及存在的问题21.4LED寿命定义32.LED光源使用寿命的影响因素32.1散热效果对LED寿命的影响32.2驱动电源对LED寿命的影响42.3 LED芯片对LED寿命的影响43.加速寿命试验方案43.1寿命试验的种类53.2加速寿命试验的基本原理53.3加速寿命试验的过程63.4加速寿命试验的方法63.5LED光源加速寿命试验方案73.5.1电流加速寿命试验方案73.5.2温度加速寿命试验方案84.L

2、ED灯具寿命评价方法85.总结与展望9参考文献9LED光源加速寿命实验摘要本文首先对LED光源做了相关的简介，描述了LED光源的定义、发光原理、优缺点以及LED寿命的理解。然后对LED光源使用寿命的影响因素进行研究，发现散热效果、驱动电源和LED芯片都会对LED的寿命产生影响。并根据以上影响因素，从电流和温度俩个方面角度考虑，制定了LED光源的加速寿命试验方案。最后，基于LED光源加速寿命试验方案的设计，提出了LED灯具寿命的评价方法模糊综合评价法。因为LED 灯具系统不同于 LED 光源，影响其寿命的因素众多且复杂，而且每个因素对它的影响程度都各不相同，模糊综合评价法可以很好的解决模糊的、难

3、以量化的问题。关键词： LED光源、使用寿命、影响因素、加速寿命试验、模糊综合评价法1.LED光源相关简介1.1什么是LED光源LED光源就是发光二极管（LED）为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡长100倍。 1.2LED光源的发光原理LED 是利用半导体 PN 结或类似结构把电能转换成光能的固态器件，属于固体冷光源。从电光源的发展历程来看，LED 是继白炽灯、荧光灯和 HID 灯之后的第四代新型光源。1.3LED光源的优点及存在的问题LED光源的优

4、点：(1）节能、环保性。一方面，LED 在使用过程中的能耗低，直流驱动，电光转换率接近 100%，同样照明效果 LED 比传统光源节能 80%90%。另一方面，LED 的眩光小，无辐射，光谱中没有多余的紫外线和红外线，不含汞、铅等等有害物质。因此，LED 是一种“清洁”的光源，最具环保性，是一种典型的绿色照明光源。 （2）单色性好，色彩鲜艳丰富，灯光清晰柔和，可根据需要利用计算机控制技术，可使 RGB 三基色具有 256 级灰度并混合，从而实现光色丰富多彩，变幻多端。 （3）寿命长。LED 为固态冷光源，外加封装，耐冲击震动，是一种长寿型电光源。LED 的理论寿命经国际权威认证可达 10 万小

5、时，光源寿命在 2 万小时以上。 （4）安全可靠。表面温度60（环境温度 25），LED 光源属于冷光源，工作电压可设计在直流、交流（12260V）宽电压范围内工作。LED光源的不足：（1）光输出较小或不够稳定。虽然有些厂家的产品已相对较稳定，但市场上仍有相当部分厂家的灯具产品的实际光通量不足，或者初始光通足但是光衰严重，是其应用效果不佳。这一问题需要提高功率型 LED 芯片的光效，热优化管理，以及灯具系统的设计来进行解决。 （2）光源显示性不够理想。现有 LED 光源多采用蓝光激发 YAG 荧光粉的白光 LED，虽然这种 LED 制作工艺成熟、成本低、光效较高，但色温偏高、显色指数低，显色性

6、并不理想，不能满足优质照明要求。白炽灯的发光效果总是给人一种温馨的感觉，这是由于其光谱中黄光成分较强。而这种白光 LED 发出的白光带有蓝色光成分，在此光照下，物体颜色会失真。 （3）LED 光衰。功率型 LED 在使用过程中温度上升，会导致工作电压减小，光强减小，光波长改变，加速光衰，严重缩短 LED 的寿命。对于 LED 灯而言，散热不仅关系到 LED 的光效问题，而且关系 LED 灯具的寿命。为了使其正常工作，提高 LED 芯片的电光转化效率，改善 LED 封装热管理，优化散热体以及整灯的设计，是改善 LED 灯具散热问题的关键。 （4）成本过高。从目前看，不同 LED 产品，比传统产品

7、的成本差价还有 510 倍，因为成本的问题，大规模使用 LED 照明还有很大的困难。为了 LED 要进一步进驻照明领域，在保证质量的前提下还要降低成本。1.4LED寿命定义LED 寿命包括 LED 光源的寿命以及 LED 灯具的寿命。 LED 光源作为一种电光转换的器件，电子空穴对的能带跃迁产生光子这一物理机能，理论上是无限长的过程，是寿命的“永久”牌，但任何材料，即使是构成 LED 光源的半导体材料，包括它的电极等材料，在长时间的电能，热能加载下，终究会衰变、老化，最终会丧失原有的机能，导致“死亡”，也就是失效。因此尽管 LED 光源是固体发光，也是有它的生存期。一般讲，这种器件与其它半导体

8、器件一样，在理论上讲“寿命”很长。 从LED光源来说，评判其是否到寿命不外乎是通过观察其光输出的大小来决定的。当 LED 光源的光输出衰减到 70%时，便可以认为它寿命中止了。注：LED 灯具寿命不同于 LED 光源，其通常由多颗 LED 光源组成。为达到预期的光通量和配光效果，它必须根据每颗 LED 光源的光分布进行严格的光学系统设计。除了光学系统外，LED 灯具还需要配套的散热系统和驱动电源等。2.LED光源使用寿命的影响因素目前大多数 LED 光源失效的原因是因为散热不够良好，当 LED 芯片工作时，会产生大量的热能。这些热能散发不出去，LED 芯片上的荧光粉、电极就会老化，从而使LED

9、 器件的光输出降低。而对于 LED 灯具而言，影响其寿命不仅有散热原因，驱动电源也是导致其失效的重要原因。2.1散热效果对 LED 寿命的影响与传统光源一样，（LED）在工作期间也会产生热量，但是由于 LED 体积小，因此热密度远高于传统光源。大功率 LED 大概只有 20-30%的输入电能转化为光能，其余70-80%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能，大功率 LED 产生的大量热量不及时散出去会加速器件老化，是影响寿命的关键。一旦 LED 的温度超过最高临界温度(如 125)，往往会造成 LED 永久性失效。因此大功率 LED 的散热非常关键。LED 散热主要方式有： （1）

10、对电子芯片进行冷却最简单的办法就是利用风冷散热器，而该方法也是最直接、成本最低的散热方式。一般情况，在小功率或中等功率的器件或是电子设备中，大多使用空气冷却或是强制风冷技术。目前，如果采用风扇和优化的大面积热沉，空气冷却技术的冷却能力可达 50W/cm2。 （2）热管是一种传热效率很高的换热元件，冷、热流体间的热量传递主要是靠热管内工作介质蒸发或冷凝交变过程而耦合在一起的，它的热导率可达金属导热率的103104倍。与传统散热装置相比，热管无需消耗动力、空间尺寸小，另外，它的冷却能力高，单位面积的传热量高。作为一种高效的导热元件，适合高热流密度情况下的散热，正可用于电子元件以获得高的热量导出率。

11、目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到 200W/cm2。2.2驱动电源对 LED 寿命的影响 为了保证照明级 LED 能够获得较高的使用效率，首先需要使其满足一定的使用条件，其次是需要采用相适应的驱动电路来满足 LED 工作参数的要求。驱动电路是一种专门为 LED 供电的特种电源，应具有如下特点： 具有简单的电路结构、较小的使用体积及较高的转换效率。较高精度的恒流控制、合适的限压功能。多路输出时，每一路的输出都要能够单独控制。具有线性度较好的调光功能，以满足不同应用场合对 LED 发光亮度调节的要求。在异常状态时，电路能够对电路本身、LED 和使用者都有相应的保护作

12、用。驱动电路工作时，对其他电路的正常工作干扰少，满足相关的电磁兼容性要求。 目前大功率 LED 均采用直流驱动，因此在市电与 LED 之间需要加一个电源适配器，即 LED 驱动器。它的功能是把交流市电转换成适合 LED 的直流电。LED 的驱动电路问题是一直制约其寿命以及可靠性的关键问题。在大功率 LED照明产品设计中，主要采用开关电容型 LED 驱动方案，其优点虽然是恒流驱动，但在上电的瞬间会产生过高的起始峰值电压，很有可能将 LED 击穿或断开。因此，要求电源必须具有高可靠性、高驱动效率和高功率因数。因此提高 LED 照明产品驱动电源可靠性，应在提高效率方面进行研究，采用一级电路结构实现高

13、交流电压到恒流输出的转变，提高 LED 驱动电源的效率和功率因数。2.3LED芯片对LED寿命的影响LED芯片是LED光源的核心部件，它的寿命很大程度上决定着LED灯具的寿命。影响LED芯片寿命的因素有三个，即芯片的晶格缺陷、封装工艺及荧光粉的质量。首先，构成LED芯片的材料是晶体。理想的晶体，如果晶格排列得不那么好，有的地方缺行，这种缺陷就会影响LED芯片的寿命。另外，如果LED芯片所掺杂的杂质不是我们所需要的杂质，也会影响LED光源的寿命。其次，LED的封装是否合理也是影响芯片寿命的重要因素。大多数企业的产品工艺封装仿制较多，这些产品从外形看还可以，但工艺结构和工艺质量都较差，因而严重影响

14、了LED的寿命。另外，LED芯片的性能都具有一定的分散性，在封装之前应根据LED芯片的面积、光效等诸多指标进行归类分档。如果芯片在封装前不进行分档，封装后的成品出光率必然参差不齐。这就是说，LED的封装及封装之前的分档也是影响LED寿命的重要因素最后，荧光粉的质量同样影响LED芯片的寿命。目前LED芯片产生白光的方法有多种，其中有两种方法是通过荧光粉发白光的。一种方法是在LED蓝光芯片上涂覆YAG荧光粉。由于波长短的光子比波长长的光子能量大，因此，芯片发出的蓝光（波长短）激发荧光粉可产生500 nm560 nm的黄绿光（波长较蓝光长），蓝光与黄绿光合成白光。这种方法得到白光的成本较低，但荧光粉

15、的均匀性较难控制，且芯片使用一段时间后，光效和色温都会有相应变化。另一种方法是让LED芯片发出紫外线，紫外线再激发RGB（红、绿、蓝三基色）荧光粉产生红、绿、蓝三基色光，三基色光再混合成白光。因为紫外线的光子能量较大，使封装材料环氧树脂容易老化，这也会影响LED芯片的寿命。3.加速寿命试验方案3.1寿命试验分为长期寿命试验和加速寿命试验长期寿命实验是指在规定的工作及环境条件下，对产品的工作寿命进行测试的试验。通过记录并分析产品在长期寿命试验中的寿命信息，即采用额定的工作环境进行寿命试验，但试验周期长、成本高。加速寿命试验是在不改变失效机理的前提下,用提高应力的方法,使元器件或材料加速失效,以便

16、在较短的时间内获得加速情况下的失效率及寿命等数据,然后推算出在正常状态(额定或实际使用状态)应力条件下的可靠性特征量。其优点在于提高试验过程的时间效率和经济效益，从而以最低的试验代价达到寿命评估的目的。3.2加速寿命试验基本原理设计加速寿命试验时,必须深入了解产品使用的极限应力环境和潜在的失效机理。在进行加速寿命试验之前首先要了解产品的失效机理和所能承受的最大环境应力,然后从产品在正常使用条件下引起故障和失效的主要因素中（温度、湿度、电压、或其它影响产品寿命的应力因素）选择一个或多个作为加速应力, ,然后对选择的加速应力设定多个加速应力级别对产品进行加速寿命试验。3.3加速寿命试验过程加速寿命

17、试验主要分为两部分：试验方案的施行和试验数据的处理。对试验样品进行加速寿命试验后，需要选择适当的方法对试验数据进行分析和处理。主要包括对产品寿命分布函数的确定及加速模型的选取，并且利用数理统计理论计算在各个加速应力水平下产品的可靠性参数，以此外推出产品在正常使用条件下的寿命特征。3.4加速寿命试验的方法目前可靠性加速寿命试验的方法主要有：恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验等，如图 2.2 所示，它们分别表示了三种基本加速寿命试验的应力加载过程。1）恒定应力试验 恒定应力试验是选定一组加速应力水平，如S1,S2,S3，然后将全部样品按照应力水平数进行随机分组，每组在

18、一个加速应力水平进行试验，直到试验样品在该应力水平下有一定的失效数目或到达规定时间时结束试验，其应力加载方式如图 2.2（a）所示。 2）步进应力试验 假定步进应力试验的试验应力水平分别为S1,S2,S3，且S1<S2<S3。在试验过程中，首先对全部试验样品施加最低的加速应力S1, ，当达到规定的截尾时间或截尾数时，将试验应力步进增加到下一个更高的应力水平，并继续试验，如此反复，直至达到总截尾时间或总截尾数时结束试验，其应力加载方式如图 2.2（b）所示。 3）序进应力试验 序进应力试验与步进应力试验方法类似，其加速应力是一个随时间按线性或其他规律连续增加的函数，直到一定数量的产品

19、发生失效。如图2.2（c）所示。注：本文选择的试验方法均为恒定应力加速寿命试验。 3.5LED光源加速寿命试验研究3.5.1.电流加速寿命试验方案实验方法电流加速寿命试验选取的样品试验样品为某厂家生产的白光 LED 光源，如图 3.1所示，对此利用电流加速寿命试验进行验证。在大量的样品中随意各选取3只进行测试，编号 1-3。分别在额定电流 350mA 和加速电流 600mA、800mA、1A 的条件下对其进行电流加速 2000h 的试验，实验过程中，利用铝基板做散热片对其进行散热处理，同时，将其固定在散热片上，加大散热效果。此外对额定电流350mA和加速电流800mA做2000小时的不加散热片

20、的对比试验，此时样品仅利用铝基板做散热处理。实验过程中分 10次通过积分球对其光学参数和色度参数进行测量，测试时，对其通以额定电流进行测试。实验使用的加速电源为香港龙威仪器仪表有限公司和江苏扬中市光扬电子仪器厂生产的直流电源，测试设备为浙大三色的积分球以及 SL-300 光谱分析仪。3.5.2.温度加速寿命试验方案实验方法温度加速寿命试验选取的样品试验样品为不同厂家生产的两种白光 LED 光源，分别记为样品 A 和样品 B。样品 A 声称寿命在 5 万小时以上，其色温属于中性白范围，而样品 B 声称寿命在 2 万小时以上，其色温属于日光色。在大量的样品中随意各选取 5只进行测试，编号 1-5。

21、分别在 100和 90的条件下对其进行高温加速 800h 的试验，每隔 100h 通过积分球对其光学参数和色度参数进行测量，测试时，对其通以额定电流进行测试。实验使用的温度加速设备为林频仪器有限公司生产的高低温交变湿热试验箱，测试设备为浙大三色的积分球以及 SL-300 光谱分析仪。这样选取样品和应力的原因主要是：一是依据国家标准，进行寿命试验的样品数量不能低于 5 个；二是参照相关标准，进行加速寿命试验的前提是加速应力不能破坏样品内部机制，结合经验和资料，选择90和 100二个温度应力。4.LED 灯具寿命评价方法LED 光源的寿命可以通过加速寿命试验来获得，而在实际应用过程中，人们更为关注

22、的是 LED 灯具的寿命问题，而非 LED 光源的寿命。但 LED 灯具系统不同于 LED 光源，影响其寿命的因素众多且复杂。LED 灯具系统的使用寿命不仅与材料、设计、工艺和应用等因素有关，还与光学系统、驱动电源、散热设计等不同功能的子系统有密切的关联。因此，要准确评价整体灯具的寿命，不仅需要科学评价各个子系统的可靠性，还要科学地确定各子系统之间的内在联系。但需要注意的是，影响 LED 灯具系统寿命的因素众多而且问题复杂，在实际运行中还有许多因素目前无法用确切的计算来考量，这就对 LED 灯具的寿命预测提出了挑战。模糊综合评价法是评价 LED 灯具寿命的一种可行方法。第一层因素分别为 LED 光源u1、散热系统u2、驱动电源u3、使用环境u4，即 U=u1，u2，u3，u4=LED 光源，散热系统，驱动电源，使用环境。第二层因素设计为：LED 光源u1的因素集为u11，u12，u13=衬底材料，发光原理，封装材料；散热系统u2的因素集为u21，u22=散热材料，散热方式；驱动电源 u3的因素集为u31，u