简述LED照明产品加速衰减试验方法

时间：2021-05-23来源：佚名

　　相对传统照明产品而言,作为第三代照明的LED产品具有节能环保、寿命长、安全、外观可塑性好、驱动灵活以及体积容易小型化等诸多优势。LED产业与目前各国所倡导的节能环保、营造绿色低碳生活的政策相符,因此获得各国政府的大力支持,尤其与公用事业相关的应用(如LED路灯等)更是发展迅猛。但由于受成本等因素的制约,在民用方面完全替代传统照明,尚需时日。由于市场竞争激烈、产品更新换代快、缩短开发时间便成为行业迫切需要。然而，制约新品开发时间的主要瓶颈在于评估产品寿命的可靠性试验方法落后，试验周期太长。国际上已有寿命评估的可靠性相关标准，主要以美国能源之星(ES)和国际照明委员会(IEC)体系为典型代表。针对LED灯具寿命的评估，二者都提出直接对灯具进行老化测试，或根据LED封装、LED模组等的老化试验数据进行推算。而按照耗时最短的ES试验方法进行试验，老化时间也需要6000小时。因此，急需开发一种快速的LED照明产品寿命评估的可靠性试验方法。

　　国家半导体照明工程研发及产业联盟标准化委员会(CSAS)制定发布的联盟标准CSA020《LED照明产品加速衰减试验方法》正是在上述背景下产生的，主要适用于LED路灯、LED隧道灯、LED射灯、LED筒灯和LED球泡灯等LED照明产品。其他LED照明产品可参照使用本标准的方法。CSA020用于快速检验LED照明产品的预期寿命，将测试周期大大缩短至2000小时以内，并且具有与ES方法相同的测试精度。起草小组于2013年1月完成了征求意见稿，向国家半导体照明工程研发及产业联盟的全体成员以及飞利浦等龙头企业广泛征求了意见，并对多个技术细节进行了反复讨论，充分酝酿，于2013年3月正式完成，提交CSAS进行投票，并于2013年4月发布为联盟标准。

　　一、CSA020加速衰减试验方法原理

　　CSA020加速衰减试验方法的加速原理是，在测试设备精度得到保证的前提下，假设光通维持率与时间呈e指数衰减关系，则可以使用3600小时光通量衰减数据替代ES测试方法所需的6000小时的数据。另外，加速衰减试验方法采用了多次通过实测数据证明可行的Arrhenius加速模型描述LED产品在高结温下的寿命。因此，该方法利用提高测试时的环境温度(用以提高LED结温)的方式进一步缩短测试时间。在建议最高温度为55℃的测试条件下，2000小时以内的数据，可用来替代ES方法所需要的室温下6000小时的数据。对于最高标称工作温度小于55℃的LED照明产品，则要求以产品的最高标称工作温度为最高测试温度。该标准采用的加速衰减试验方法的可行性与合理性，不仅在理论上进行了证明，还用LED照明灯具实际测试数据进行了验证。

　　二阶段加速模型是CSA020 的重要理论基础。LED照明产品随时间的光衰减可以用e指数关系表示，见公式(1)：

　　　在公式(1)中，φ(t)是归一化的光通维持率，β是拟合常数。由于归一化，β=1.0。国际论文所提供的数据证实了除了室温外，公式(1)也适用于更高的测试温度。根据Arrhenius方程α随温度变换：

　　Ea为激活能 (eV);k为玻尔兹曼常数(8.617385×10-5eV/K);A为前缀因子。若上式中的T为LED芯片的结温，令T1为工作条件下的结温(例如：室温25℃条件下)，则： t70|T1

　　当工作条件下的结温为T1，光通维持率为95%时，;当加速温度下的结温为T2，光通维持率为95%时，则：

二阶段加速模型的两个加速过程的先后顺序可以调换。如图1所示，先进行e指数加速然后做温度加速(图1中的① ②路径)，或者是先进行温度加速然后做e指数加速(图1中的③ ④路径)，其结果相同。

图1 二阶段加速模型的可互换性示意图

二、CSA020标准提出的检验流程

　　CSA020标准提出的检验流程如图2所示，依次为：抽样、判定加速试验温度、进行加速试验、加速试验达标判定。

　　1.抽样方法

　　检验批次组成：采用相同的材料、元器件和光源，以及具有相同的结构形式，在同一条生产线上连续生产的产品组成检验批次。检验样品应至少在两个以上的制造批次中随机抽取。样品的光通量应符合稳定衰减。样品样本数至少为3个。样本数越多，检测结果的置信度越高。

　　2.加速试验温度的选择

　　将试验箱依序设置为表1所列的4个测试温度，在每个测试温度保持至少60分钟，使样品达到热平衡稳定状态，测量样品在该温度下的光学特性(如照度)。在每次测量结束后，都应将样品从温度试验箱中取出，在室温条件下静置，当样品达到热平衡稳定状态后测量光通量。

　　样品在温度试验箱外测量得到的光通量之间的差异应在5%之内，在温度试验箱中4个设定测试温度下测量得到的光学性能之间的差异应在10%之内，则可以将该测试温度(25℃除外)减小5℃作为加速衰减试验的加速试验温度。加速试验中应采用满足以上条件的最高加速试验温度，但不应高于55℃，且不应高于产品标称的最高工作温度。

　　3.进行加速试验

　　样品需要先测量初始光通量。然后将样品置于试验箱中，进行加速试验。试验环境温度为上述判定的加速试验温度，试验环境相对湿度不超过65%，样品在额定电压下连续工作。

　　4.加速试验达标判定

　　CSA列举了标称寿命分别为25000小时、30000小时和35000小时的样品的达标判定方法。如标称寿命为35000小时的样品，在一定的加速温度下，所有样品达到表2所示的累计负载时间后，加速光通维持率不小于95%，则判定样品的最小预期寿命达到其标称寿命35000小时。如果加速温度为55℃,则判定LED照明产品寿命为35000小时、30000小时和25000小时所需的测试时间分别仅为1750小时，1550小时和1300小时。

　　参考大量市场常见产品的LM-80数据，计算得到常见优良产品的激活能。CSA020选取0.45eV作为标准激活能，涵盖了绝大部分的市场优良产品。根据公式(1)，利用产品的标称寿命和预期光通维持率(70%)，可以得出不同标称寿命对应的标准光衰曲线。同时，也可计算不同标称寿命对应的标准α值，根据产品的实测数据并采用公式(2)，得到允许的最高结温，使其作为标准结温。某一标称寿命下的标准光衰速率一定大于实际良品的光衰速率。因此，可以推断出，标准α值和标准结温大于绝大部分优良产品的α值和实际结温。

　　根据公式(2)，代入标准α值、标准结温和激活能，计算A值;在环境温度分别为55℃、45℃和35℃时，LED结温分别比室温条件下高30℃、20℃和10℃，利用公式(2)，可以计算得到光通量衰减为95%的时间L95，如表3所示。

　　因此，本试验方法的达标判定按照以下假设条件进行设置：

　　(1)光源的激活能不大于0.45eV;

　　(2)结温不大于如表2所示的标准结温;

　　(3)LED光源的供电于试验进行中是保持稳定的。

　　然而，本达标判定容许条件1和2条件的部分放松。按照二阶段加速模型，可以容许当光源激活能稍大于0.45eV时，结温小于标准结温则可以部分满足达标判定的需求。

　　为了验证CSA020《LED照明产品加速衰减试验方法》具有广泛的代表性，在筒灯、射灯、球泡灯、路灯和隧道灯中选取了17种具有代表性的LED照明产品进行了验证试验。在55℃加速和室温(25℃)测试下，验证了加速衰减试验的结果与室温测试结果保持一致。图3和图4分别显示在55℃加速和室温(25℃)测试下，实测数据和标准光衰曲线。图4中显示产品3和产品5在室温条件下测试时，光衰速率不符合要求，图3中显示同样的结果。说明符合加速测试标准的产品，也可以通过在室温条件下6000小时的测试。本结果说明了加速衰减试验的结果与室温测试结果是一致的

图3 部分产品在55℃环境温度加速下的光通维持率

　　图4 部分产品在25℃室温环境下的光通维持率

与美国能源之星ES方法相比，CSA020《LED照明产品加速衰减试验方法》能够有效缩短预测LED照明产品寿命所需的试验时间。CSA020试验方法理论的正确性与广泛的代表性得到了大量详实的数据验证。考虑到测量系统的精度，使用该方法能够在55℃的测试温度下将测试时间缩短至2000小时以内。CSA020正被国家半导体照明工程研发及产业联盟数十家会员单位接收，相信不久的将来会受到越来越多的企业认可，必将对LED照明产品的研发与产业发展起到巨大的推动作用。（本文选自《半导体照明》杂志第38期）