LED光衰的分析（恒压和恒流驱动）

LED光衰的分析
LED的光衰是大功率LED不能长时间工作的主要原因，也开始认识到降低光衰的重要方法就是改进其散热。

尽管如此，从对各种LED灯的测试结果来看，仍然有大多数LED灯具的光衰是不能满足使用要求的。

1200小时亮灯后的光衰，最好的为8%，最差的为26%，平均为14%。

按照科锐公司的LED芯片测试结果，结温在LED芯片105度时，14%光衰也应当要在工作了6000小时以后，可见LED灯具的结温在105度以上。

可不少公司认为他们的灯具散热都是经过精心设计和计算的。

实际情况可能也是如此，但是测试的结果也不容怀疑。

问题出在哪里呢？
我们认为，灯具散热也不至于设计得这么差，而可能是因为有一些路灯是采用恒压电源供电的结果。

可是为什么采用恒压电源供电会引起光衰呢？这听上去好像有点天方夜谭。

但实际上的确有这么严重。

让我们来从头说起吧！
科锐公司LED样本中关于的结温和光衰寿命试验结果
1．LED的伏安特性
我们都知道，LED是一个二极管，而二极管最重要的电特性就是它的伏安特性。

图2中给出了Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性。

图2. XLamp7090XR-E的伏安特性
2．LED伏安特性的温度特性
虽然它的样子和一般二极管没有什么两样，但是最大的不同在于它的温度特性。

其实所有二极管的伏安特性都有温度特性的问题，可是就是LED是需要特别加以注意的。

这是因为：
a、大功率LED的工作电流比较大，1W为0.35A，3-5W为0.7A，20W为1.05A，30W为1.75A，50W为3.5A。

不过可能也会有人觉得，整流二极管的正向电流也可能达到这样大的数值的。

2.2、LED因为目前的发光效率还是比较低，所以大部分的输入电功率都是转化为热，所以它的发热很高，假如散热器做得不好，那么结温就会升得很高。

2.3、LED不同于整流二极管，它不是采用一般的硅材料做成的，而是采用特殊的材料（例如氮化镓）制成。

所以它的伏安特性的温度特性也不同于一般二极管，而是要明显大于一般二极管。

例如一般二极管的伏安特性的温度特性为-2mV/°C，但是Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性的温度特性却高达-4mV/°C，要比一般的二极管大一倍。

3、由结温升高产生的问题
3.1、LED结温升高以后首先带来的是光输出降低。

图3. XLamp7090XR-E的相对光输出随结温的升高而降低
3.2 结温升高引起伏安特性的左移
因为伏安特性的温度系数是负的，这意味着温度升高，特性左移。

例如，假定结温升高50度，那么伏安特性就会左移200mV。

3、采用恒压电源供电会使LED正向电流随温升的增加而增加。

因为电源电压是恒定的，而伏安特性却左移了，其结果就是正向电流增加。

从图2的伏安特性可以看出，假如常温下用3.3V的恒压电源供电，其正向电流为350mA；结温升高50度以后，伏安特性左移0.2V，那么相当于电源电压升高到了3.5V，这时候，正向电流就会增加到600mA。

4、采用恒压电源供电会引起温升增加的恶性循环
正向电流增加以后，因为电源电压没有变化，所以LED的输入功率增加到3.3Vx0.6A=1.98W，几乎增加了一倍。

但从图3可以看出，结温升高以后，光输出会降低，这意味着更多的输入功率转换为热能，也就是说如果这时候增加正向电流，它的光输出并不随着增加，反而降低。

所以，这时的正向电流的增加只会引起结温增加，而不会使光输出增加。

所以，结温增加以后，正向电流增加，结温再增加，正向电流再增加，这就引起结温升高的恶性循环。

结论：采用恒压电源供电会使结温升高，光衰加快，寿命缩短。

所以，从前面的分析，可以得出这样的结论：采用恒压电源供电会使结温升高，而结温增加的结果就是光衰加快，寿命缩短。

假定LED在常温25
度时开机，开机以后结温就会升高，假定散热器设计为温升至75度，也就是结温增加了50度，那么就会使得正向电流增加至600mA。

总功率从1.155W
增加到1.98W，增加了0.825W。

而这部分所增加的功率几乎全部转换为热量。

假定原来LED的发光效率为30%，也就是70%的输入功率（0.8W）都转换为热能。

现在又多了一倍的热能需要从散热器散出去。

显然，这是原来的散热器设计没有考虑到的。

这就使LED的结温又升高50度，变成了125度。

我们回到图1来看光衰曲线，125度的光衰为14%的寿命也就差不多为1200小时，那么也就可以解释为什么一个精心设计的散热器，如果采用恒压电源供电，其结果仍然是光衰很快，寿命很短了！
所以，给LED供电，一定要采用恒流电源供电，电流恒定以后，不管温度怎么变化，伏安特性如何左移，电流都不变！结温也就不会恶性循环了！
LED结温产生的原因分析及对策作者 windy.liang 日期 2010-1-17
14:36:00
1、什么是LED的结温？
LED的基本结构是一个半导体的P—N结。

实验指出，当电流流过LED元件时，P—N结的温度将上升，严格意义上说，就把P—N结区的温度定义为LED结温。

通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

2、产生LED结温的原因有哪些？
在LED工作时，可存在以下五种情况促使结温不同程度的上升：
a、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。

当电流流过P—N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。

b、由于P—N结不可能极端完美，元件的注人效率不会达到100％，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷(空穴)外，N区也会向P区注人电荷(电子)，一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。

即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

c、实践证明，出光效率的限制是导致LED结温升高的主要原因。

目前，先进的材料生长与元件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射係数，致使芯片内部产生的极大部分光子(>90％)无法顺利地溢出介面，而在芯片与介质介面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

d、显然，LED元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。

散热能力强时，结温下降，反之，散热能力差时结温将上升。

由于环氧胶是低热导材料，因此P—N结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。

显然，相关材料的导热能力将直接影响元件的热散失效率。

一个普通型的LED，从P—N结区到环境温度的总热阻在300到600℃／w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃／w。

巨大的热阻差异表明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

3、降低LED结温的途径有哪些？
a、减少LED本身的热阻；
b、良好的二次散热机构；
c、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；
d、控制额定输入功率;
e、降低环境温度
LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其餘部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。

显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。