LED失效分析及解决方案

LED失效分析及解决方案

一、高效照明LED产品的市场良好

中国是照明产品的生产和消费大国，节能灯、白炽灯产量均居世界首位，2010年白炽灯产量和国内销量分别为38.5亿只和10.7亿只。据测算，中国照明用电约占全社会用电量的12%左右，如采用高效照明产品替代白炽灯，节电效益明显。

2011年11月7日，国家发改委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》，决定从2012年10月1日起至2016年9月30日，按功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯。采用高效照明产品替代白炽灯，推动了高效照明产品的普及应用和全社会照明节电意识的普遍提高，促进了半导体照明技术的快速发展及半导体照明产品的推广应用。

二、LED产品特点

作为高效照明的LED产品，作为一种固态的半导体冷光源，有传统光源所不具备的多种优点，总结起来有以下几项：

1、高节能

相同照明效果下比传统光源可节能60%以上；

2、长寿命

LED光源是固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，特别是最近出现的LED芯片倒装工艺的，在LED封装时实现了无金线封装，更是增加了其抗机械冲击能力，使用寿命可达5万小时以上，比传统光源寿命长10倍以上；

3、利于环保

LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，属于典型的绿色照明光源；

4、方便组合

用于照明的LED单颗功率目前在0.03W－3W之间，可以通过非常简单的合理串联和并联实现任意功率等级的照明产品；

5、色彩丰富

对于要求有色彩变换的场合，红绿蓝三色的LED可以通过功率的配比实现任意颜色。相比传统灯具用滤光片的方法要灵活，并且传统灯具在使用滤光片时更会产生大量的光损，而LED只是调节三色的比例，所以LED在节能上更具优势。

三、LED产品失效原因分析

常规LED驱动电源的损坏来自于输入电源的过电冲击、负载端的短路故障以及元器件的性能选择不合理造成。输入电源的过电冲击往往会造成驱动电路中的芯片、电容等元器件的击穿损坏，负载端的短路故障则可能引起驱动电路的过电流驱动，驱动电路中会出现短路损坏货有短路故障导致的过热损坏。以上这几方面的原因都会造成LED芯片无法驱动，造成LED灯具熄灭，但通常不会造成LED产品的损坏。

排除掉LED驱动电源的故障原因，LED的长寿命是基于其安全的工作环境，对LED产品来说，光衰和死灯是目前其失效最主要的两种模式，死灯现象在大功率的户外路灯、隧道灯、投光灯灯出现的几率更高。对LED照明来讲，过电冲击（LED上施加的电流超过该LED技术数据手册中的最大额定电流，包括过压引起的冲击）和过热损伤（工作温度超过额定温度范围）两个原因是造成光衰和死灯的主要原因，这些损坏可以表现为LED器件的立即失效，也可能发生在一段时间后失效，缩短了LED工作寿命。

四、LED灯具产品失效的解决方案

1、LED驱动电源的故障解决方式

对LED的电源进行防雷、滤波电路的设计，并考虑关键元器件选用品质较高的元器件，拓展电路的功能，优化电路参数，进行电路的高低温、绝缘耐压、雷击保护、过流保护、短路/断路的保护测试等。

2、优化LED产品输出结构网络

现多数LED灯具产品均采用10串多并的芯片组合模式，即使LED芯片有一组损坏，其它并联回路的LED芯片也可以正常点亮，实现照明。

3、LED产品的过热解决方案

LED产品特别是大功率集成芯片存在较大的发热量，如不能及时予以散热，

会导致芯片的实际工作温度较高，超出其工作温度范围。LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就会缩短，从cree公司发布的光衰与结温的关系图（下图）来看，结温如果控制在65℃，那么其光衰至70%的寿命可以高达10万小时。遗憾的是，现在LED灯具的实际散热效果与这个要求相差太多。

图1 光衰与结温的关系

LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是有一部分转化为热能。除去芯片内部的热的辐射和传导外，芯片的散热经由以下途径：（1）LED芯片到铝基PCB板

在LED芯片焊接到铝基PCB板上时候，应保持芯片底部的散热部位与PCB 的铜箔保持严密接触，，在这其中涂覆一些导热胶并用手将芯片压紧在铝基板上，然后焊接芯片的引脚。铝基PCB板的主要作用为热传导，将芯片发出的热量迅速地传导到散热器上。

（2）铝基板与散热器的配合

对于大功率LED产品来说，铝基板的面积较大，在组装时更应注意保持铝基板与散热器的密切接触，在涂覆导热胶后，并通过螺钉压紧固定。但如果散热器的表面出现凹凸不平，就会形成空气隙，而空气隙的热阻会很大，所以必须用导热胶来填充空隙，但选用的导热胶流动性要好，不然的话，由于涂抹不均匀仍然会产生气隙，可能比不用还坏。导热胶的另一缺点就是本身的粘行不足以把铝

基板固定在散热器上，所以在实际使用中应使用螺钉拧紧固定铝基板。

（3）散热器的散热外形与散热设计

散热意思就是把热量从散热器表面散发到空气中去。热量的散发有两种途径：对流和辐射。这两种情况都要求散热器有较大的表面积，现多说散热器均设置成鳍片形式。对于散热器来说，除了加大散热面积外，如何加速空气的对流是很重要的，尤其是LED路灯这类安装在室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的，为了在各种风向情况下都有很好的对流，最好采用针状鳍片散热。

（4）LED过热的电路保护

在LED照明中，根据灯具应用场合的不同可以采用不同的过热保护模式，通常分为两种：一种方式为达到温度立即启动关断保护，此种保护通常在一些道路交通信号灯上使用；另一种方式为一定温度启动保护，进行降电流驱动，此种保护通常应用于室内照明和道路、隧道照明。

4、LED产品的过压保护

LED作为一种半导体器件，主要参数有正向压降Vf、正向导通电流If、发光效率等，这其中有两个平时常被忽视的参数即反向耐压Vr和最大反向漏电流Ir两个参数。

如下图2所示为LED工作的电流与电压（I--V）特性图。发光二极管具有与一般半导体二极管相似的输入伏安特性曲线，下面分别对图中所示的各段进行说明：

（1）OA段：正向死区VA为开启LED发光的电压，红色（黄色）LED的开启电压一般0.2~0.25V，绿色（蓝色）LED的开启电压一般为0.3~0.35V。

（2）AB段：工作区

在这一区段，一般是电流随电压增加而增加，亮度也随之增大，但要注意的是如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，其正向电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，LED会因电流增大而被烧坏。

（3）OC段：反向死区

给LED加反向电压它是不会发光的（即不工作的），但有反向电流，这个反向电流通常很小，一般为几μA，最大不超过10μA。

（4）CD段：反向击穿区

LED的反向电压一般不要超过10V，最大不得超过15V。超过这个电压，