最大化LED亮度以降低系统成本

　　在LED技术的早期，工程师被建议限制驱动电流到LED，以保持结温降低，进而延长器件的寿命和最大化功效。

　　但是，虽然较高的结温确实危及寿命，但有越来越多的证据来自LM 79、LM 80和TM21测试，现代LED仍然可以显示60000小时的寿命(L70)，在温度会很快杀死旧设备。此外，由于现代芯片产生的输出是十年前不可想象的，许多设计者质疑为什么低驱动电流仍然合适，当这意味着只使用LED输出的一小部分。据称，更高的驱动电流将使用更多的芯片的能力，并允许更少的芯片用于给定的输出，降低系统成本和简化设计。

　　本文通过研究可靠性、功效、亮度、色度、设计复杂度和成本对LED的驱动电流的影响，阐述了LED驱动电流的优缺点。

　　打开灯芯

　　在早期的高亮度LED，制造商推荐的正向电流为280毫安，而后来的350毫安成为阿德事实标准的固态产品。280和350 mA的选择都是任意的，虽然在较高的电流下，1毫米的芯片通常消耗一个标称的1瓦(实际耗散实际上接近1.25 W)，这被认为产生最大的热量，可以很容易地从结中去除。N区。

　　今天，许多芯片运行在更高的正向电流超过350毫安。例如，CRE的XLAM-MK-R可以用正向电流从500毫安到2.5 A(XLAM-MK-R在6 V/1.4 A时具有96 LM/W的功效)工作。

　　然而，很少有工程师意识到，高亮度LED达到其峰值功效仅在几十到几十毫安。因此，一个趋势更高的电流似乎有点反直觉的行业一直困扰着功效(LM/W)超过十年。图1示出了效率的关系(注意该图显示了在选择电压时白色LED的效率[功率输出/功率In，而不是功效[LM/W] ]和正向电流。在4至6毫安时，效率峰值为85%，此后缓慢下降(见技术区文章“识别LED效率下降的原因”)。

　　正向电流对马克西姆LED效率的影响

　　图1：LED正向电流效率(Maxm的礼貌)。

　　当功效最大化时，不幸的是LED在低正向电流下不能产生足够的光。图2显示了CIEE的XLAM-MK-R的亮度随正向电流的增加。可以看出，变量之间的关系几乎是线性的。

　　CYE XLAMK MK-R LED光通量与正向电流的图像

　　图2：CYE XLAME MK-R LED的相对光通量与正向电流。

　　旧规则不再适用

　　随着LED行业的成熟，销售的国家照明变得更加高效和稳健。测试数据，例如来自LM 79、LM 80和TM21(见TealStand Times)的“固态照明最新测试要求”，已经开始表明，也许当前的指导方针——即使操作电流攀升了——仍然过于保守。

　　测试的前提是LED故障是光输出下降到初始光通量(LM)的70%的点，简称为L70。测试LED到实际故障点是具有挑战性的，因为现代设备可以持续超过50000小时(近六年)，所以通常从很短的测试周期的数据推断出寿命。

　　LED的最大杀手是结温。温度越高，装置越快失效。失败的机制是复杂的，但本质上是在更高的温度下促进线程位错的发展——否则规则的LED晶体结构中的微小不连续性。穿线位错是由LED的铟镓氮化物(InGaN)和碳化硅(SiC)或蓝宝石衬底中的错配所产生的应变引起的垂直微裂纹。穿线位错导致LED的输出减少，因为它们形成非辐射重组的场所- LED的区域，其中电子和空穴重新组合但不产生光子。更糟糕的是，在这些非辐射复合物中发射的能量通过“声子”的发射来传递，这是一种引入到晶格中的振动，产生更多不需要的热量(见TealStand文章)了解高亮度LED的衰落原因)。

　　然而，随着大量的测试数据积累了多年，越来越明显的是，现代设备正在变得更加健壮，因此能够持续更长的时间。或者，这种增加的弹性使器件能够被硬驱动，但仍然表现出与较低电流的较老产品相媲美的寿命。例如，Cree已经表明，在1 A的正向电流和85°C的结温下运行的LED表现出60500小时的L70测量，与昨天在350毫安测试的产品和相应的较低的温度相媲美。即使在结温为105°C的器件也被证明具有超过36000小时的L70测量。

　　改进的材料和制造技术在很大程度上是通过在组装期间由于在操作过程中的高温而阻止LED中的位错位错形成率来提高更好的鲁棒性。例如，汉城半导体正在商业化一种晶型InGaN晶体，它消除了SiC或蓝宝石衬底，因此活性材料/衬底晶体失配和相关的穿线位错(见TealStand条)材料和制造改进增强。NCE LED效率”。

　　这并不意味着LED可以被驱动到极限，期望它们很少会死亡——因为其他的失效机制，如焊点击穿，在极端结温下起作用。但它确实允许工程师采用比以前更高的驱动电流，提高产品的亮度，在芯片的工作极限内得到更高的结温，这将是安全的(由芯片制造商的测试数据增强)。不可接受地缩短了LED的寿命。

　　增加正向电流变得更加实用的另一个原因是LED效率的迅速提高。在技术的基础年，制造商努力生产具有超过20 LM/W功效的LED，虽然这优于白炽灯泡(10至18 LM/W)，但它不适合其他照明技术，如紧凑型荧光灯(CFL：35至60 LM/W)和荧光灯管。(80到100 LM/W)。这种糟糕的性能意味着接近最大功效点的操作(但具有可接受的亮度)比与其他照明技术竞争更重要，而不是推动驱动电流来提高亮度。

　　但一年半之后，商业设备的功效是早期LED的七倍。飞利浦LUMIDES，例如，提供Luxeon TX，一个140 LM/W(700毫安，2.8伏)冷白色LED。类似地，欧司朗提供OsLon正方形，一个150 LM/W(700毫安，3.05伏)白光LED(图3)。

　　欧司朗OsLon广场形象

　　图3：欧司朗的奥斯隆广场拥有比早期白色LED更大的功效。

　　现代产品的高功效使工程师们能够更灵活地驱动LED，而在仍然比竞争技术更有效的地方操作设备时，发光二极管的效率更高(见TechnZeon文章)，LED效率改善没有显示SLO的迹象。翅膀“。

　　LED更少，成本更低

　　设计者通常使用多个LED来产生足够的光来匹配替代光源。例如，一个单一的100瓦，120 V白炽灯泡产生1700流明(在约17 LM/W的功效)。相比之下，流行的LED，如汉城半导体的Ac富裕MJT 2525产生90 LM(40毫安，23 V，98 LM/W)。照明设计师需要近20的这些设备来提供与灯泡大致相同的输出。

　　将LED分组成阵列以提高输出，从空间、照明、光学和制造观点引入了挑战。例如，优化来自LED阵列的光的质量是困难的。虽然LED制造商将它们的芯片分类成近似相同颜色相关温度(CCT)的“垃圾箱”，但紧密匹配单个设备，使得消费者在单个夹具中使用时没有注意到它们之间的差异是昂贵且耗时的。

　　LED阵列的第二个问题是，器件以不同的速率“老化”。固定设备中的许多LED可以留下大量的剩余生命，而其他的则已经变暗，导致消费者对该单元进行攻击。最后，组装多个LED阵列是困难的和劳动密集型的，进一步推高成本(见技术区文章“LED封装和功效提高内腔密度”)。

　　通过在更高的电流下操作LED，更少的设备可以用于相同的亮度，降低系统成本，简化设计，并减轻光学和制造的挑战。

　　然而，设计者必须确保在系统设计中迎合相关的温度上升。

　　当确定LED结温在追求更大亮度时有多高时，关键的考虑因素是灯具本身是否能够处理所有额外的热量。虽然LED可能能够应付，但如果夹具中的其他部件被过多的热量损坏，那就没什么用了。

　　例如，对于一个小形状的灯泡，比如MR16来说，很难消散超过15瓦的热负荷——这就限制了产品中使用的典型LED的驱动电流到350毫安区域(图4，参见TealStand文章“LED地址卤素MR16固定装置的缺陷”)。但是较大的固定装置，具有较大的散热器的空间，将能够驱散更高的驱动电流产生的更大的功率。

　　LUMEX MR16形状因子的图像

　　图4：MR16形状因子限制了它能耗散的功率量。

　　另一个不太明显但同样重要的考虑因素是温度对色度的影响。例如，图5示出了CREE XP E LED的色点如何在25°到85°C的温度范围内移动(每个制造商的LED表现出一定程度的色温随结温的升高而变化)。在CIE 1976 L、U′、V′颜色空间中，LED的色点偏移约0.002。这种移位被限制在由红色四边形定义的单个容器中，容器的大小使得分组在其中的装置看起来与人眼的颜色相同。因此，对于这个例子，色度偏移对消费者来说是不可察觉的。

　　CREE XP—E LED结温变色图像

　　图5：针对CIEE XP E LED的结温颜色偏移。

　　人眼能够感知到的最小色差在颜色空间的黄色和橙色区域中大约为0.003，而红色区域中的最小色差为0.004。导致这种程度的转换需要LED变得非常热。尽管如此，对于使用高正向电流以增加亮度的照明设计，工程师建议仔细检查数据表，以确定温度对颜色的影响，当决定如何驱动他或她的LED时(见技术区文章)对白色LED色度的热效应。“

　　最后的考虑是任何适当的规章制度。例如，能源之星要求LED具有特定的功效。驱动LED更难，可能会导致疗效下降到符合要求。

　　充分利用亮度

　　LED照明领域的稳健性导致固态照明的驱动电流相对较低。虽然这有助于LED的功效，但结果是这些器件仅显示了它们的发光能力的一小部分。

　　现代商业LED比他们的前辈更健壮，并且拥有更高的功效。这些属性允许当代照明设计师增加驱动电流(而不损害功效太大)，提高亮度，同时降低系统成本和降低设计复杂度。

　　然而，设计者应该知道，升压驱动电流增加操作温度，这可能会导致对照明灯具部件的损坏，如果它们没有被升级以应付以及赋予色度变化。任何新的设计都要考虑到提高驱动电流的温度效应。

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