大功率LED灯具的寿命——LED知识（四）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

目前，关于LED灯具（本文以大功率LED灯具为例）的寿命有多种说法，有人说是2万小时，有人说是5万小时，有的甚至说10万小时。那么，LED灯具的寿命究竟是多少呢？本文就来谈谈这个问题。

有一个著名的水桶理论，也叫水桶定律或短板理论，是指一只水桶，如图1所示，盛水的多少并不取决于最长的那块木板（图1中的B板），而是取决于最短的那块木板（图1中的A板），盛水超过最短板A就会流出来。

LED灯具的寿命，正好符合水桶理论。LED灯具主要由LED芯片、散热系统及驱动电源三个部分组成，如图2所示，这三个部分对LED灯具的寿命都是至关重要的。

如果把LED灯具的寿命比做“水桶”中的“水”， 那么LED芯片、灯具的散热系统及驱动电源就是构成“水桶”的三块木板，哪一块最短，哪一块就决定了LED灯具的寿命。现在分别谈一下影响LED灯具寿命的“三块木板”。

1 LED芯片的质量

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。理想的晶体如图3 所示。如果晶格排列得不那么好，有的地方缺行，如图4所示，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。目前美国Cree（科瑞）公司、Lumilends公司和日本日亚公司等全球几大知名公司的封装工艺水平比较高，LED封装技术也都有专利保护，其LED的寿命也就有保证。但其他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（Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石）荧光粉。前面已经说过，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 nm～560 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。

如果LED芯片成为LED灯具寿命的“短板”，那么，上述三个因素中哪个出现问题，哪个就是影响LED芯片和灯具寿命的“短板”，如图5所示。

2 LED的散热系统

在谈及LED灯具时，关于是否存在红外线以及发热量的多少，也有多种说法。实际上，LED光源发白光的光通量理论值应在300 lm/W以上。大功率LED光源目前只达到80 lm/W～100 lm/W，也就是说电能的近1/3变成可见光，大多数电能变成了热能。这些热能要以热传导及热辐射的形式散发。所以，大功率LED灯具的散热系统至关重要。

LED光源的P-N结对温度非常敏感。温度高，将使LED芯片的寿命大打折扣。如图6所示，它是Cree公司给出大功率白光LED的光衰（光通量衰退，light attenuation）曲线图。

按照国际惯例（也是原有光源规范的规定），光源的有效寿命定义为：光通量衰减到初始值的70% 时，光源就算寿终。LED光源的P-N结在不同温度下的有效寿命见图中绿横线与各曲线的交点位置。从图6中可以看出，P-N结的温度为75 ℃时，寿命为51 000 h（绿色曲线）；温度为85 ℃时，寿命为22 000 h（黄色曲线）；温度为95 ℃时，寿命为18 000 h（粉色曲线）；温度为105 ℃时，寿命为12 000 h（红色曲线）。实际上，大功率LED灯具的P-N结温度目前大约在105 ℃左右，也就是说，LED芯片的寿命只有10 000多小时。如果灯具的散热条件不好，LED芯片的P-N结升温过高，LED芯片会很快损坏。这时，散热系统就成为LED灯具寿命的“短板”，如图7所示。

散热系统对LED芯片的寿命影响很大，用同样质量的芯片放在不同的灯具中，寿命会相差几倍甚至几十倍。一种灯具的设计是否成功，除光路系统外，散热系统起着决定性作用。

3 驱动电源

驱动电源对LED灯具的寿命起着关键的作用，这是一个很容易被忽视的问题，也可能是当前推广大功率LED灯具的瓶颈。检查灯具时往往会出现这样的情况：发现LED芯片并没有损坏，而是驱动电源出现故障。通常，LED芯片的寿命远大于驱动电源的寿命。例如，Cree公司的XLamp的系列产品7090XR-E是白光LED芯片，其典型工作参数是3.5 V，700 mA（2.45 W），P-N结温度为80 ℃（这个温度只有非常好的散热系统才能做到），光通量衰减到初始值的70 %时，芯片寿命为50 000 h。目前，最好的驱动电源寿命已超过30 000 h，较差的驱动电源寿命仅为几千小时。如果LED灯具选用了高质量的芯片，同时散热系统做得也好，驱动电源的寿命就可能成为薄弱的环节，如图8所示。

4 关于有效寿命

光衰的指标采用不同的标准，往往也把对LED光源知之较少的人引入误区。

大家知道，传统光源的寿命有两种说法，一种叫全寿命，一种叫有效寿命。全寿命定义为光源从点燃到寿终（不亮）为止的全部累积点燃时间。有效寿命是指光源点燃后，当它的光通量衰减到初始值的70%时的光源累计点燃时间。因为光源的光通量从初始值的70%到寿终（不亮）还能点很长时间，所以绝大多数光源的有效寿命远小于全寿命。

LED 光源是一种新光源，新光源的寿命采用有效寿命是没有争议的。目前国际上通常将L70列为考核LED光源寿命的一项标准。所谓L70，就是指把LED光源初始光通量看做1.0（即100%），光通量衰减到初始值的70% 时算做光源的有效寿命。而国内LED业界，有的制造企业把光通量衰减到初始值的50%（俗称半衰期）作为LED灯的寿命标准。从图6可以看出，当LED的P-N结工作温度为105 ℃时，光衰到初始值的70%时寿命为12 000 h，光衰到初始值的50%时寿命为21 000 h，这两个数值相差很多。从事灯具应用的技术人员，如果不清楚两个标准之间的差异，可能会做出错误的判断。

5 关于显色指数和色温

对于影视舞台的LED灯具，即使光通量没有衰减到初始值的70%，如果显色指数Ra降低过多或光源色温变化过大，也应视为其寿命的终结。因为，显色指数或色温变化过多，各个灯的色温又不一样，灯具就失去了使用价值。

笔者简析影响LED灯具寿命的几个方面，是希望大家对LED灯具的寿命有一个更加清晰的了解，同时也希望影响LED灯具寿命的“短板”越高越好，甚至做到水桶的各个板块一样平齐，使LED灯具寿命的“水”盛的越多越好。

LED作为继白炽灯、气体放电灯之后的一代新光源，具有光效高、节能、环保无污染、不怕震动等许多优点，引发了一场光源的革命，但因为LED光源还在迅速发展之中，它的提升空间还很大。我们客观地评说它的优点，指出发展方向，是一种更加负责任的态度。过分地“忽悠”LED光源目前还不具备的“长处”，并不利于LED光源的发展。

［1］沙占友. LED照明驱动电源优化设计. 北京：中国电力出版社，2011

［2］杨清德，杨兰云. LED及其应用技术问答. 北京：电子工业出版社，2011

［3］施克孝，于宝富. 彩色电视照明原理与布光技巧.北京：北京农业大学出版社，1988