白光發(fā)光 LED 已被證明是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，挑戰(zhàn)所有舊形式的光產(chǎn)生方式。其潛力包括：1） 超長(zhǎng)壽命（》35，000 小時(shí)）、2） 極高光效（理論上約為 250 流明/瓦）以及 3） 低溫運(yùn)行已席卷照明市場(chǎng)。這些對(duì)技術(shù)的巨大期望促使 LED 制造商和整個(gè)行業(yè)制定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以確保照明產(chǎn)品體現(xiàn)消費(fèi)者所期望的性能，無(wú)論是終用戶還是 OEM 制造商。與普通燈絲白熾燈不同，LED 不會(huì)“燒壞”，而是可能會(huì)根據(jù)工作條件逐漸經(jīng)歷光輸出下降。

　　LED 為何會(huì)退化？

　　LED 是復(fù)雜的固態(tài)器件。圖 1 顯示了典型器件的橫截面，顯示了構(gòu)成封裝 LED 的各種結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將組件分為 3 個(gè)區(qū)域。首先，包含 p/n 結(jié)的半導(dǎo)體器件，在傳統(tǒng)白光 LED 的情況下，實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)約為 450 nm 的藍(lán)光。其次是磷光體層，它吸收藍(lán)光并將其轉(zhuǎn)換為寬頻帶的顏色，眼睛將其感知為白色，其方式與熒光燈管大致相同。，有一系列透明層封裝半導(dǎo)體和準(zhǔn)直出射光的透鏡。這三個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)都可能參與設(shè)備的退化，盡管通過(guò)不同的機(jī)制。

　　半導(dǎo)體結(jié)。LED 制造商非常重視構(gòu)成二極管 p/n 結(jié)的半導(dǎo)體的工藝和成分。然而，目前所有器件均由歸類為 III-V 族材料的材料組成：Ga、In 或 Al 與元素周期表相應(yīng)第 3 列和第 5 列中的 N、P、As 組合。事實(shí)上，所有商業(yè)器件都是異質(zhì)結(jié)，這意味著它們是不同化合物的組合。此外，它們是單晶結(jié)構(gòu)，依靠化學(xué)氣相沉積的外延生長(zhǎng)來(lái)形成。這些層生長(zhǎng)在藍(lán)寶石或碳化硅等基板上。它們通常是復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)，即所謂的“量子阱”，可以仔細(xì)操縱電子過(guò)程，以限度地將電荷轉(zhuǎn)化為光。這些不同材料組合的后果之一是由于層間原子晶格尺寸和熱膨脹系數(shù)的不匹配而產(chǎn)生缺陷。這些缺陷的結(jié)果是晶格結(jié)構(gòu)中的原子缺陷，無(wú)論是在材料的本體中還是在不同材料之間的界面處。為了產(chǎn)生從多數(shù)載流子注入的光電子，n型摻雜層與從結(jié)內(nèi)的p型接觸注入的空穴復(fù)合以形成藍(lán)光。然而，并非所有電子和空穴都會(huì)重新結(jié)合來(lái)產(chǎn)生光，否則我們將擁有更高的性能！載流子的非輻射復(fù)合可能通過(guò)多種機(jī)制發(fā)生，但從可靠性的角度來(lái)看，重要的機(jī)制發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)的這些缺陷處。由于這些缺陷的能級(jí)低于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶，因此它們充當(dāng)電子和空穴非輻射復(fù)合的方式，從而發(fā)出熱量而不是光。該能量可能非常大，與化學(xué)鍵的能量相當(dāng)，從而通過(guò)化學(xué)鍵的位移或斷裂產(chǎn)生更多缺陷。這會(huì)引發(fā)滾雪球效應(yīng)，并隨著時(shí)間的推移而加速。圖 2 是半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化能帶圖，顯示了各種復(fù)合過(guò)程。在化學(xué)鍵的能量的數(shù)量級(jí)上，從而通過(guò)化學(xué)鍵的位移或斷裂產(chǎn)生更多的缺陷。這會(huì)引發(fā)滾雪球效應(yīng)，并隨著時(shí)間的推移而加速。圖 2 是半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化能帶圖，顯示了各種復(fù)合過(guò)程。在化學(xué)鍵的能量的數(shù)量級(jí)上，從而通過(guò)化學(xué)鍵的位移或斷裂產(chǎn)生更多的缺陷。這會(huì)引發(fā)滾雪球效應(yīng)，并隨著時(shí)間的推移而加速。圖 2 是半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化能帶圖，顯示了各種復(fù)合過(guò)程。

　　熒光粉。熒光粉將 LED 發(fā)出的 450 nm 藍(lán)光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光譜的各種顏色，從而產(chǎn)生白光。它們通過(guò)吸收藍(lán)光并以受控方式損失部分光子能量，在較寬的波長(zhǎng)帶上將藍(lán)色下轉(zhuǎn)換為紅色、綠色和藍(lán)色來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這些磷光體通常是復(fù)雜的稀土硅酸鹽或氧化物，并且可以進(jìn)行摻雜以確保特定的發(fā)射波長(zhǎng)。雖然這些材料是多晶的，并且已經(jīng)包含許多原子缺陷，但上一節(jié)中描述的重組在這里也很活躍。此外，化學(xué)過(guò)程（例如與水蒸氣或其他化合物的反應(yīng)）也可能導(dǎo)致降解。因?yàn)檫@些效果高度依賴于熒光粉的化學(xué)成分，由于所使用的熒光粉是專有設(shè)計(jì)的一部分，因此 LED 之間可能存在相當(dāng)大的差異。即使在制造商的產(chǎn)品線中，通常也會(huì)使用不同的磷光體，或者以不同的方式應(yīng)用它們，從而產(chǎn)生特定的行為。

　　透鏡和密封劑。用于準(zhǔn)直從半導(dǎo)體芯片熒光體結(jié)構(gòu)發(fā)出的光的透明透鏡和保護(hù)性封裝材料必須在 LED 的整個(gè)使用壽命期間保持高透射率。由于 LED 在升高的溫度和濕度下工作，因此這里也可能會(huì)發(fā)生性能退化。此外，從 LED 熒光粉中射出的藍(lán)光也可能在變暗過(guò)程中發(fā)揮作用。再次強(qiáng)調(diào)，鏡片的具體化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)將決定其在正常和不利環(huán)境下的行為，并且高度依賴于工藝和成分。

　　結(jié)論。LED 工作期間發(fā)生的復(fù)雜電氣和化學(xué)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致光輸出下降，很難通過(guò)簡(jiǎn)單的分析表達(dá)式進(jìn)行量化。雖然對(duì)其中一個(gè)或兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述是可能的，但這些過(guò)程復(fù)雜的重疊和相互依賴使其目前不可能。

　　標(biāo)準(zhǔn)：LM-80 和 TM-21

　　照明工程學(xué)會(huì) （IES） 制定了 LED 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠以一致的方式表征性能和可靠性，以評(píng)估其實(shí)際壽命。LM-80 一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)描述了用于確定 LED 的“流明維持率”（即光輸出與時(shí)間的關(guān)系）的方法。測(cè)試協(xié)議規(guī)定的基本特征是：

　　- 環(huán)境和 LED 外殼溫度和方向

　　- 驅(qū)動(dòng)電壓、電流和波形 -

　　儀器

　　該標(biāo)準(zhǔn)要求在環(huán)境空氣溫度為 25°C、LED 外殼溫度為 55°C、85°C 以及制造商選擇的其他溫度下測(cè)量光輸出。驅(qū)動(dòng)電流由制造商指定，因?yàn)樵撾娏麟S LED 芯片面積的變化而變化。測(cè)量時(shí)間至少為 6000 小時(shí)（為 10，000 小時(shí)），間隔多為 1000 小時(shí)。一線制造商的常見(jiàn)做法是采用幾種不同的驅(qū)動(dòng)電流。正如我們稍后將看到的，這對(duì)于我們確保 LED 壽命的方法非常重要。

　　盡管 LM-80 提供了一種在標(biāo)準(zhǔn)化條件下測(cè)量光輸出隨時(shí)間變化的統(tǒng)一方法，但實(shí)際上 LED 的使用溫度可能與 LM-80 值有很大不同。而且，由于這不是加速測(cè)試方法，因此需要很長(zhǎng)時(shí)間才能得出可靠性結(jié)論。另一項(xiàng)更新的 IES 標(biāo)準(zhǔn) TM-21 有助于解決這一困境。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是 LED 退化的“臨時(shí)”模型，允許在溫度之間插入時(shí)間-溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)外推到未來(lái)，以預(yù)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的輸出。該標(biāo)準(zhǔn)的要點(diǎn)是：

　　- 假設(shè)光輸出 （LOP） 呈指數(shù)下降

　　- LOP 可在時(shí)間上外推 6 倍

　　- 溫度之間的插值基于“活化能”

　　用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，光輸出的減少可以表示為：

　　其中 L（t） 是時(shí)間 t 時(shí)的流明輸出，B 是 0 或 1 小時(shí)時(shí)的歸一化光輸出，α 是衰減率，它是溫度的函數(shù)。根據(jù) Arrehenius 表達(dá)式，α 的值隨溫度變化，

　　其中 Ea 是活化能，k 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是開(kāi)爾文溫度，C 是常數(shù)。TM-21 標(biāo)準(zhǔn)僅允許對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，因此對(duì)于兩個(gè)溫度 T1 和 T2，我們可以計(jì)算激活因子 Ea/k，如下所示：

　　一旦激活因子已知，就可以直接根據(jù)中間溫度的 Arrehenius 表達(dá)式計(jì)算衰減率以及由此產(chǎn)生的時(shí)間依賴性。圖 8 顯示了真實(shí) LOP 數(shù)據(jù)以及基于這些計(jì)算的外推和內(nèi)插值的圖表（參考：Mark Richman LEDs 雜志）。

　　驅(qū)動(dòng)電流對(duì)流明維持率的重要作用

　　LED 的驅(qū)動(dòng)電流在決定流明維持率方面起著重要作用。正如本文開(kāi)頭所討論的，半導(dǎo)體中的復(fù)合會(huì)導(dǎo)致缺陷增加和輻射效率降低。因此，按理說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電流必定在流明衰減中發(fā)揮重要作用。不幸的是，目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)建議在這種情況下進(jìn)行測(cè)試，并且由 LED 制造商選擇測(cè)試中使用的電流值。幸運(yùn)的是，制造商做出了明智的選擇，并且擁有大量數(shù)據(jù)。

　　圖 7 生動(dòng)地說(shuō)明了驅(qū)動(dòng)電流的重要性，尤其是在高溫下。在此圖表中，TM-21 用于推斷半導(dǎo)體結(jié)溫約為 127oC 時(shí) LED 的流明維持?jǐn)?shù)據(jù)?？梢郧宄乜吹?，隨著電流從 0.35 A 上升到 1 Amp，退化速率有非常大的增加。從該圖表中還可以看出，L70 值（光輸出減少至初始值的 70%）從 0.35 安培時(shí)的 91，000 小時(shí)以上減少到 1 安培時(shí)的 22，900 小時(shí)，有效使用壽命大幅縮短。（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，LM-21 只允許在時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)之外進(jìn)行 6 倍外推；我顯然已經(jīng)超越了這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)）

　　LEDSense技術(shù)的重要性

　　鑒于在高電流水平下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致流明維持率大幅降低，因此在驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備中提供一種方法來(lái)保護(hù) LED 照明產(chǎn)品的運(yùn)行非常重要。熱折返提供了這樣的安全網(wǎng)。熱折背很重要，因?yàn)椋?/p>

　　-無(wú)論條件如何，它都可以實(shí)現(xiàn)亮度和長(zhǎng)使用壽命

　　-它為 OEM 提供了“無(wú)憂”的解決方案

　　-它幾乎消除了現(xiàn)場(chǎng)安裝不良的后果

　　TerraLUX 的熱折返實(shí)施稱為 LEDSense？，采用微處理器控制的恒流驅(qū)動(dòng)器。圖 5 所示為 LEDSense 電路基本特征的框圖。根據(jù)輸入電壓范圍和決定所需輸出電壓的 LED 燈串長(zhǎng)度，使用各種降壓或升壓拓?fù)?。LED 的溫度通過(guò)位于器件熱路徑中的熱敏電阻進(jìn)行測(cè)量，從而確定 LED 的工作溫度。微處理器通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器測(cè)量該值，并通過(guò)內(nèi)置算法將其與 LED 的已知工作特性進(jìn)行比較。然后處理器通過(guò)其 D/A 轉(zhuǎn)換器設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的電流。通過(guò)正確設(shè)計(jì)和操作的燈具-光引擎組合，電流（和溫度）保持在預(yù)定的安全水平。如果溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，處理器中的算法會(huì)通過(guò)固件算法逐漸降低當(dāng)前設(shè)定點(diǎn)，以確保 LED 的使用壽命。微處理器還用于分析電源波形，以便根據(jù)所使用的特定調(diào)光器-變壓器組合定制驅(qū)動(dòng)器操作，從而為 OEM 制造商帶來(lái)額外的好處。

　　由此產(chǎn)生的性能特性如圖 6 所示。該圖比較了兩個(gè) LED 光引擎示例的驅(qū)動(dòng)電流與 LED 溫度，個(gè)（藍(lán)色方塊）沒(méi)有使用 LEDSense 技術(shù)，另一個(gè)（紅色圓圈）使用 LEDSense 技術(shù)。在此示例中，外部控制的溫度是光引擎散熱器背面的溫度，但我們繪制了 LED 的塊狀溫度；藍(lán)色虛線旨在說(shuō)明由組件熱阻和驅(qū)動(dòng)功率水平導(dǎo)致的溫度偏移。

　　還顯示了根據(jù) TM-21 標(biāo)準(zhǔn)為 LED 計(jì)算的 L70 時(shí)間（盡管我再次將其延長(zhǎng)到低電流條件下的建議時(shí)間之外）。LED溫度不受控制，但在電流下工作的情況下，其值顯著縮短，僅為13，900小時(shí)。相比之下，LEDSense 功能已將電流降低到有效“抵消”現(xiàn)有高溫條件對(duì)壽命的負(fù)面影響的程度。盡管在這種情況下，用戶會(huì)注意到明顯的變暗，但由于眼睛在高亮度下不敏感，不太明顯的過(guò)溫情況可能很難檢測(cè)到。盡管如此，即使在僅有輕微過(guò)熱情況的區(qū)域，LEDSense 算法也能保證 LED 的安全。

　　結(jié)論

　　業(yè)界已制定了綜合標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試 LED 并描述其隨時(shí)間的退化情況。然而到目前為止，這些標(biāo)準(zhǔn)僅允許根據(jù)工作溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。我們已經(jīng)證明，驅(qū)動(dòng)電流與工作溫度的結(jié)合對(duì) L70 定義的 LED 壽命具有極其重要的影響。熱折返提供了一種有用的方法來(lái)確?？刂圃?LED 的安全工作范圍內(nèi)；TerraLUX 的 LEDSense？ 技術(shù)具有定量控制算法的額外優(yōu)勢(shì)，可確保 LED 壽命和光輸出。