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LED照明产品寿命测试评价方法研究进展

2018-03-20    

来源:照明工程学报

   作者:张 伟, 华树明,巩马理,刘 倩  

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导语: 本文在调研 LED 照明产品国际和国家标准有关寿命评价考虑的基础上,介绍了目前针对 LED 寿命测试的相关研究工作,对 LED 照明产品的寿命评估方法做了探索性研究。经分析可知,采用寿命测试推算方法,IESTM21 和边界函数法均存在一定的问题。研究表明,采用试验条件加速的方法来测试推算 LED 照明产品的寿命存在较高的可行性,且此评价方法可显著缩短产品的寿命评价周期。

LED照明产品寿命测试评价方法研究进展

张 伟1,2,3  华树明2  巩马理3  刘 倩2

(1. 北京一轻控股有限责任公司博士后工作站,北京 100022; 2. 国家电光源质量监督检验中心 (北京),北京100022;3. 清华大学激光与光子技术研究室,北京 100084)

  摘 要: 本文在调研 LED 照明产品国际和国家标准有关寿命评价考虑的基础上,介绍了目前针对 LED 寿命测试的相关研究工作,对 LED 照明产品的寿命评估方法做了探索性研究。经分析可知,采用寿命测试推算方法,IESTM21 和边界函数法均存在一定的问题。研究表明,采用试验条件加速的方法来测试推算 LED 照明产品的寿命存在较高的可行性,且此评价方法可显著缩短产品的寿命评价周期。

  关键词: LED 照明产品; 寿命; 加速; 试验条件

  中图分类号: TM923 文献标识码: A DOI: 10. 3969/j. issn. 1004-440X. 2013. 01. 010Researching Progress on Lifetime Evaluation Method ofLED Lighting ProductsZhang Wei 1,2,3 Hua Shuming 2 Gong Mali 3 Liu Qian 2(1. Post-doctor Research Center,Beijing Yiqing Holding Co. ,Ltd,Beijing 100022,China;2. National Lighting Test Centre,Beijing 100022,China; 3. Center for Photonics and Electronic,Tsinghua Univesity,Beijing 100084,China)Abstract: On the basis of the survey research on lifetime evaluation considerations in international andnational standards for LED products,current lifetime researching status is analyzed,and the initialexperiment research is performed. According to the analysis and experiment results,there would be someproblems to apply IES TM21 and border function method to evaluate the lifetime of LED lighting products.Our research shows that accelerated experimental conditions would be a reasonable way with high feasibilityto test and evaluate the lifetime of the overall LED lighting products,and the cycle of lifetime assessmentcould be shorten significantly.

  Key words: LED lighting product; lifetime; accelerated; environment conditions

  1 引言

  发光二极管 (Light Emitting Diode,LED) 作为一种光电子器件,本身具有长寿命的优势。随着蓝光 LED 芯片的发明和 LED 照明技术的提高,LED 逐步进入普通照明领域,其技术水平也在近年呈现出快速的发展趋势。LED 照明产品包括LED 光源和 LED 灯具。针对普通照明领域,受LED 照明产品价格因素的影响,综合考虑市场应

  用的性价比和成本收回效果,LED 照明产品的寿命及其评估方法在全行业内引起了广泛的关注,也成为近来讨论和研究的热点。LED 照明产品的寿命及其评估方法研究主要基于三个方面的考虑: (1) 产品的寿命评估方法研究及实施,将完善 LED 照明产品的性能评价体系,缩短产品全面性能评价的测试周期,促进产品技术水平的提升; (2) LED 照明产品全面性能评价的实施,将对政府的相关决策和引导提供强有力的保障,从政府引导的角度,推动 LED 照明行业的发展; (3) 这项工作将进一步增强市场的规范发展,从消费者认知和应用选择的角度,对LED 照明行业的健康发展提供保障。目前国际领域内对 LED 的寿命评估也愈加关注,本文在分析国际领域内 LED 寿命评估方法的基础上,对 LED 照明产品寿命评价方法与实验环境条件间的对应关系做了初步研究。

  2 LED 照明产品寿命及相关研究现状

  2. 1 LED 照明产品的寿命

  根据照明术语国家标准[1] 的规定, (灯的) 寿命是指灯工作到失效时,或根据标准规定认为其已失效时的总时间。根据这一术语规定,照明产品的寿命取决于产品的失效方式的相关规定和判断。基于此,包括国际照明标准、美国照明技术规范、中国相关的国家标准和技术规范等均对 LED 照明产品的寿命及相对应的失效判定做了相关的考虑和说明。

国际电工委员会 (International ElectrotechnicalCommission,IEC) 正在展开针对原 IEC/TS 62504LED Terms and Definitions 技术文件的修订换版工作,修订后标准将对 LED 照明相关各项 IEC 标准所涉及术语定义做协调统一,因此,改版后的 IEC62504 标准将与原 TS 版文件有较大不同。IEC62504 标准[2]将从 LED 照明产品光通维持率的角度给出产品的寿命定义。根据这一寿命定义,LED 照明产品的寿命由产品随燃点时间的延长其光通维持率的变化所决定,产品的光通维持率衰减到指定值时 (根据应用场所不同,通常设定为70%或50%) 的累积燃点时间即为产品的寿命。

产品的出光及光的维持性是 LED 照明产品寿命指标的重要关注因素。此外,从 LED 照明产品特性和应用场所的考虑出发,产品的寿命评价指标也存在一定差异,比如,除光通维持率之外,LED 照明产品的色品质及其维持性等,本课题组也在开展此方面研究工作[3] ,以期对 LED 照明产品性能和寿命做更合理评估。表 1 也给出了相关国家或地区在LED 照明产品寿命相关指标上的考虑。

针对 LED 照明产品寿命相关指标的考虑,表 1中标准或技术文件分别从产品的光通维持率 LM、颜色坐标漂移、寿命时间规定和失效率等参数上做了考虑。以上各项标准或技术文件中关于 LED 照明产品的光通维持率、颜色漂移等参数均以 kh (千小时) 为单位进行指标规定,目前尚无经验证的切实可操作的加速测试或评价方法。我国所启动 LED 照明产品节能认证[8 ~11] ,在产品光通维持率等测试项目上也存在类似问题。

  2. 2 LED 寿命测试推算方法概要

  2. 2. 1 美国 IES TM21 [12] 标准关于 LED 光通维持率的推算方法

  美国于 2011 年发布了 IES TM21 《ProjectingLong Term Lumen Maintenance of LED Light Sources》标准,应用于 LED 封装、LED 阵列、外接驱动控制的 LED 模块。该标准规定了一种利用 IES LM80 测试数据,以指数衰减为光通量衰减模型推算 LED 光源光通维持率的方法,如图 1 所示。

具体操作方式如下。

① 以不超过 1000h 为时间间隔测试光通量,测试时间不低于 6000h;

② 以 0h 光通量为基准,计算各时间点的光通维持率;

③ 以指数衰减模型 φ (t) = β·exp ( - αt) 拟合光通维持率趋势曲线,若测试总时间不超过10000h,取最后 5000h 数据点为拟合曲线原始数据;若测试总时间超过 10000h,则取总测试时间的后50%测试点为拟合曲线原始数据;

④ 根据曲线拟合结果计算 α 和 β 值,在此基础上根据 L 70 = ln (β/0. 7) /α 计算光源的 L 70 寿命(若推算所得寿命时间大于总测试时间的 5. 5 倍(或 6 倍),则取总测试时间的 5. 5 倍 (或 6 倍) 为推算寿命时间)。

  表 1 国际上 LED 照明产品标准或文件关于寿命相关指标的规定

  Table 1 Lifetime related performance index regulation in the standards or technical specifications微信截图_20180320143538.png

微信截图_20180320143853.png

  图 1

  IES TM21 关于 LED 光通维持率推测示例 *

* 引用 IES TM21 图 A1 和 A2Fig. 1 Example of lumen maintenance projecting in IES TM21


  2. 2. 2 基于边界函数的 LED 寿命推算方法

  基于 IES TM21 关于 LED 寿命推算方法在 IEC标准技术讨论会上的讨论,有专家提出了 TM21 在LED 普适性上的疑问,并提出了基于边界函数的LED 寿命推算方法。该方法将 LED 封装的光通维持率测试曲线与指数衰减边界函数对比,将适用的边界函数所对应的寿命时间定义为该 LED 封装的寿命,如图 2 所示。

具体操作方式如下。

① 以 0h,500h,1000h,2000h,3000h,……为时间间隔测试 LED 封装的光通量,测试总时间应不低于 6000h;

② 以 0h 光通量为基准,计算各时间点的光通维持率并绘制光通维持率曲线;

③ 在以上光通维持率曲线图上,绘制 B (t) = e - αt 指 数 衰 减 边 界 函 数 曲 线,曲 线 中 参 数 按 照 B (L 70 ) =0. 7 计算得出;

④ 若光通维持率曲线图上最后 2000h 光通维持率高于边界函数曲线,则 LED 封装的寿命大于该边界函数所对应 L 70 寿命值。

微信截图_20180320144130.png

图 2 基于边界函数的 LED 封装体寿命推算示例

Fig. 2 Example of LED lifetime prediction based on border function

  2. 2. 3 IEC 关于 LED 寿命测试提案

  IEC 国际标准开发过程中,有成员曾在 2010 年提出针对 LED 器件的光通维持率测试和推测的提案[13] ,提出了基于温度加速对比的 LED 器件光通维持率的推算方法,计算理论如图 3 所示。

光通维持率的推算方法为:

  ① 在至少两种壳温下进行样品光通维持率燃点测试;

  ② 分别在 0h,500h,1000h,2000h,3000h,……燃点时间下测试 LED 器件的光通量,并计算各时刻点的光通维持率,测试时间不少于 6000h;

微信截图_20180320144320.png

图 3 基于温度加速对比的 LED 光通维持率推算图例

Fig. 3 Example of LED lifetime prediction based on temperature acceleration

  ③ 将每种温度下的光通维持率测试点相连;

  ④ 将两条不同温度下光通维持率曲线上的相同光通维持率水平的点相连;

  ⑤ 以上述连接点对应的时间计算加速因子;

  ⑥ 对至少 5 个不同的光通维持率水平重复④⑤的操作,且各点间的时间间隔不应低于 500h;

  ⑦ 计算平均加速因子;

  ⑧ 使用平均加速因子根据高温测试曲线推算低温下的光通维持率随燃点时间的变化。

  3 LED 寿命测试推算方法对比分析及研究

  上述三种国际范围内的 LED 寿命推算方法,相关重要因素如表 2 所示。

表 2 三种 LED 寿命推算方法重要因素

Table 2 Characteristics of the three kinds of LED lifetime projecting (prediction) method

微信截图_20180320144457.png

  3. 1 IES TM21 关于 LED 寿命推算方法

  IES TM21 的 LED 寿命推算方法基于 IES LM80关于 LED 光通维持率的测试数据。图 4 给出了采用IES TM21 的寿命推算方法对某型号 LED 器件 LM80测试数据进行光通维持率拟合的曲线图。

微信截图_20180320144614.png

图 4 基于 IES LM80 光通维持率测试数据的 IES TM21 拟合结果

Fig.4 IES TM21 LED lifetime projecting based on IES LM80 test results

  根据曲线拟合结果,三种燃点环境温度下 LED寿命指标排序为,85℃ 下 LED 寿命 > 105℃ 下 LED寿命 >55℃ 下 LED 寿命,这与实际情况并不相符合,因此,IES TM21 寿命推算方法在适用性需要做进一步研究确认。

  3. 2 基于指数衰减边界函数的 LED 器件寿命推算方法

  该方法以后 2000h 光通维持率测试结果与边界函数上对应时刻点维持率数值高低来确认 LED 的最低寿命指标。采集 LED 产品进行 6000h 光通维持率测试,并根据指数衰减边界函数进行拟合,结果如图5 所示。

微信截图_20180320144702.png

图 5 三种 LED 产品光通维持率曲线与边界函数对比图

Fig. 5 Comparison between border function and lumenmaintenance test results of three LED product samples

  图 5 给出了 100000h 和 500000h 寿命的边界函数曲线,对三种 LED 产品的光通维持率测试曲线做对比可见,三种产品的寿命均高于 100000h,其中,产品 1 和 3 的寿命更是超过 500000h,与产品寿命存在较大的不符合性。因此,边界函数对比法在LED 照明产品寿命推算上也并不适合。

  3. 3 基于温度加速比对的 LED 寿命推算方法及研究

  该方法以温度为寿命加速应力,同时,低温下的测试时间不应低于6000h。基于该寿命推算方法,开展试验条件与 LED 照明产品寿命参数关系的试验研究。

  3. 3. 1 试验方案

  寿命燃点过程中,受 LED 器件、透镜、驱动等部件性能变化或产品散热效果的影响,LED 照明产品寿命参数指标的衰减主要表现在光通量衰减和颜色漂移两个方面。考虑到产品零部件间的交互影响,LED 照明产品的寿命评价试验方法以整体 LED 照明产品为研究对象,因此试验条件的设定考虑针对整体产品的实际测试操作可行性。

本阶段以燃点环境温度为试验应力,设定不同温度水平,在控温环境温度 ( ± 2℃) 下对灯进行燃点试验,采用积分球 - 光谱辐射度计测量系统监测灯在长期燃点过程中各温度水平下 LED 照明产品寿命参数指标的变化情况。温度水平的设定和试验过程中样品状态的分析确认是试验的重要考虑因素。

首先采集试验样品,监测不同燃点环境温度下灯零部件的温度,以确定温度应力试验的极限水平,试验结果如图 6 所示。

微信截图_20180320144828.png

图 6 不同燃点环境温度下灯内各零部件的温度监测试验结果

Fig. 6 Temperature monitoring results of the LED lamp componentsunder different ambient temperature

  结合 LED 照明产品各零部件的性能,对图 7 所示温度监测结果进行分析,确定温度应力试验的水平上限,进而设定各燃点环境温度水平。

  3. 3. 2 实验结果

  采集代表性 LED 照明产品,在不同环境温度水平下进行燃点和光色参数的测试,图7 为相应测试结果。

微信截图_20180320145559.png

图 7 不同环境温度下 LED 产品燃点测试结果对比

Fig. 7 Lumen maintenance test results of the LED product underdifferent ambient temperature environment

  图 7 中偏下测试曲线为高环境温度水平下的燃点测试试验结果,偏上曲线为常态寿命燃点试验温度下的对比测试结果。可见,产品的光通维持率在高燃点环境温度下呈现快速衰减趋势,至 1968h,样品的光通量衰减达到 58. 2%,这表明以环境温度为加速测试因素的试验方法存在一定的可行性。为进一步分析影响高环境温度下样品光通衰减的因素,对试验后样品做拆解分析,测试各部件在燃点过程中所导致的光通量衰减,试验结果表明,燃点过程中由 LED 封装体所导致的光通量衰减为 57. 9%,基本等同于样品的光通量衰减值。也就是说,以环境温度为加速应力,产品在光通量快速衰减条件下并未出现非常态的寿命参数指标变化或失效模式,即,LED 产品的寿命测试评价时间并不以常态低温环境温度下产品的光通维持率测试和不同维持率水平下相对一致的加速因子为必要条件,产品的寿命测试评价时间可在不改变产品失效模式的前提下缩减。

  4 结论

  在现有 LED 相关寿命测试方法对比研究的基础上,针对 LED 照明产品的寿命测试评价方法开展研究。以燃点环境温度为加速应力的试验研究表明,针对 LED 照明产品的零部件温度性能特性,在特定温度水平下,产品的寿命评价参数指数存在显著加速效果,同时,产品的光通量衰减因素和失效模式并未改变,因此,燃点环境温度可作为有效的 LED照明产品寿命加速应力做深入研究。

  现阶段试验仅考虑单一应力,为深入研究并完善 LED 照明产品的寿命测试方法,有待在试验应力、样品代表性和零部件特性、综合寿命评价参数等方面做进一步细化研究。

  ★2013 年 1 月 19 日,联合国通过了一项关于汞的条约,旨在全球范围内以法律文书的形式在包括电光源在内的诸多领域有效防止汞的排放与释放。这是在以欧洲照明协会 (ELC) 代表的全球照明行业经过两年多时间的努力,与所有联合国会员国相关方进行多次交涉的结果。最终的谈判结果完全符合全球照明协会联合会 (GLA) 的意见,总体上不会比欧洲 RoHS 指令的要求更为严格。该公约将于 2018 ~ 2020 年间予以执行。

  参 考 文 献

  [1] GB/T 2900. 65 -2004 电工术语 照明. 中华人民共和国国家标准: 2004. 845 -07 -61.

  [2] IEC 62504: General lighting-Light emitting diode (LED)products and related equipment-Terms and definitions(Draft). 国际电工委员会标准草案: 2012.

  [3] 张伟 徐海涵 华树明. LED 射灯光色参数稳定性研究.固态照明,2011,3 (9): PP39 ~42.

  [4] IEC 62612 Self-ballasted LED lamps for general lightingservices with supply voltages > 50V-Performancerequirements[Draft]. 国际电工委员会标准草案: 2012.

  [5 ] ENERGY STAR Program Requirements for Integral LEDLamps. 美国能源之星项目要求.

  [6] EUROPEAN LED QUALITY CHARTER. 欧盟质量宪章.

  [7] GB/T xxxxx -201x 反射型自镇流 LED 灯 性能要求 [报批稿]. 中华人民共和国国家标准.

  [8] CQC3127 - 2010 LED 道路/隧道照明产品节能认证技术规范. 中国质量认证中心半导体照明产品节能认证技术规范.

  [9] CQC3128 -2010 LED 筒灯节能认证技术规范. 中国质量认证中心半导体照明产品节能认证技术规范.

  [10] CQC3129 -2010 反射型自镇流 LED 灯节能认证技术规范.中国质量认证中心半导体照明产品节能认证技术规范.

  [11] CQC3130 -2011 普通照明用非定向自镇流 LED 灯节能认证技术规范. 中国质量认证中心半导体照明产品节能认证技术规范.

  [12] IEC/PAS 6xxxx - LED Testing and prediction of lumenmaintenance. 国际电工委员会标准提案.


编辑:梁洁莹


标签:LED  照明产品  寿命  加速  试验条件  

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