最大化LED亮度以降低系統成本

　　在LED技術的早期，工程師被建議限制驅動電流到LED，以保持結溫降低，進而延長器件的壽命和最大化功效。

　　但是，雖然較高的結溫確實危及壽命，但有越來越多的證據來自LM 79、LM 80和TM21測試，現代LED仍然可以顯示60000小時的壽命(L70)，在溫度會很快殺死舊裝置。此外，由於現代晶片產生的輸出是十年前不可想象的，許多設計者質疑為什麼低驅動電流仍然合適，當這意味著只使用LED輸出的一小部分。據稱，更高的驅動電流將使用更多的晶片的能力，並允許更少的晶片用於給定的輸出，降低系統成本和簡化設計。

　　本文通過研究可靠性、功效、亮度、色度、設計複雜度和成本對LED的驅動電流的影響，闡述了LED驅動電流的優缺點。

　　開啟燈芯

　　在早期的高亮度LED，製造商推薦的正向電流為280毫安，而後來的350毫安成為阿德事實標準的固態產品。280和350 mA的選擇都是任意的，雖然在較高的電流下，1毫米的晶片通常消耗一個標稱的1瓦(實際耗散實際上接近1.25 W)，這被認為產生最大的熱量，可以很容易地從結中去除。N區。

　　今天，許多晶片執行在更高的正向電流超過350毫安。例如，CRE的XLAM-MK-R可以用正向電流從500毫安到2.5 A(XLAM-MK-R在6 V/1.4 A時具有96 LM/W的功效)工作。

　　然而，很少有工程師意識到，高亮度LED達到其峰值功效僅在幾十到幾十毫安。因此，一個趨勢更高的電流似乎有點反直覺的行業一直困擾著功效(LM/W)超過十年。圖1示出了效率的關係(注意該圖顯示了在選擇電壓時白色LED的效率[功率輸出/功率In，而不是功效[LM/W] ]和正向電流。在4至6毫安時，效率峰值為85%，此後緩慢下降(見技術區文章“識別LED效率下降的原因”)。

　　正向電流對馬克西姆LED效率的影響

　　圖1：LED正向電流效率(Maxm的禮貌)。

　　當功效最大化時，不幸的是LED在低正向電流下不能產生足夠的光。圖2顯示了CIEE的XLAM-MK-R的亮度隨正向電流的增加。可以看出，變數之間的關係幾乎是線性的。

　　CYE XLAMK MK-R LED光通量與正向電流的影象

　　圖2：CYE XLAME MK-R LED的相對光通量與正向電流。

　　舊規則不再適用

　　隨著LED行業的成熟，銷售的國家照明變得更加高效和穩健。測試資料，例如來自LM 79、LM 80和TM21(見TealStand Times)的“固態照明最新測試要求”，已經開始表明，也許當前的指導方針——即使操作電流攀升了——仍然過於保守。

　　測試的前提是LED故障是光輸出下降到初始光通量(LM)的70%的點，簡稱為L70。測試LED到實際故障點是具有挑戰性的，因為現代裝置可以持續超過50000小時(近六年)，所以通常從很短的測試周期的資料推斷出壽命。

　　LED的最大殺手是結溫。溫度越高，裝置越快失效。失敗的機制是複雜的，但本質上是在更高的溫度下促進執行緒位錯的發展——否則規則的LED晶體結構中的微小不連續性。穿線位錯是由LED的銦鎵氮化物(InGaN)和碳化矽(SiC)或藍寶石襯底中的錯配所產生的應變引起的垂直微裂紋。穿線位錯導致LED的輸出減少，因為它們形成非輻射重組的場所- LED的區域，其中電子和空穴重新組合但不產生光子。更糟糕的是，在這些非輻射覆合物中發射的能量通過“聲子”的發射來傳遞，這是一種引入到晶格中的振動，產生更多不需要的熱量(見TealStand文章)瞭解高亮度LED的衰落原因)。

　　然而，隨著大量的測試資料積累了多年，越來越明顯的是，現代裝置正在變得更加健壯，因此能夠持續更長的時間。或者，這種增加的彈性使器件能夠被硬驅動，但仍然表現出與較低電流的較老產品相媲美的壽命。例如，Cree已經表明，在1 A的正向電流和85°C的結溫下執行的LED表現出60500小時的L70測量，與昨天在350毫安測試的產品和相應的較低的溫度相媲美。即使在結溫為105°C的器件也被證明具有超過36000小時的L70測量。

　　改進的材料和製造技術在很大程度上是通過在組裝期間由於在操作過程中的高溫而阻止LED中的位錯位錯形成率來提高更好的魯棒性。例如，漢城半導體正在商業化一種晶型InGaN晶體，它消除了SiC或藍寶石襯底，因此活性材料/襯底晶體失配和相關的穿線位錯(見TealStand條)材料和製造改進增強。NCE LED效率”。

　　這並不意味著LED可以被驅動到極限，期望它們很少會死亡——因為其他的失效機制，如焊點選穿，在極端結溫下起作用。但它確實允許工程師採用比以前更高的驅動電流，提高產品的亮度，在晶片的工作極限內得到更高的結溫，這將是安全的(由晶片製造商的測試資料增強)。不可接受地縮短了LED的壽命。

　　增加正向電流變得更加實用的另一個原因是LED效率的迅速提高。在技術的基礎年，製造商努力生產具有超過20 LM/W功效的LED，雖然這優於白熾燈泡(10至18 LM/W)，但它不適合其他照明技術，如緊湊型熒光燈(CFL：35至60 LM/W)和熒光燈管。(80到100 LM/W)。這種糟糕的效能意味著接近最大功效點的操作(但具有可接受的亮度)比與其他照明技術競爭更重要，而不是推動驅動電流來提高亮度。

　　但一年半之後，商業裝置的功效是早期LED的七倍。飛利浦LUMIDES，例如，提供Luxeon TX，一個140 LM/W(700毫安，2.8伏)冷白色LED。類似地，歐司朗提供OsLon正方形，一個150 LM/W(700毫安，3.05伏)白光LED(圖3)。

　　歐司朗OsLon廣場形象

　　圖3：歐司朗的奧斯隆廣場擁有比早期白色LED更大的功效。

　　現代產品的高功效使工程師們能夠更靈活地驅動LED，而在仍然比競爭技術更有效的地方操作裝置時，發光二極體的效率更高(見TechnZeon文章)，LED效率改善沒有顯示SLO的跡象。翅膀“。

　　LED更少，成本更低

　　設計者通常使用多個LED來產生足夠的光來匹配替代光源。例如，一個單一的100瓦，120 V白熾燈泡產生1700流明(在約17 LM/W的功效)。相比之下，流行的LED，如漢城半導體的Ac富裕MJT 2525產生90 LM(40毫安，23 V，98 LM/W)。照明設計師需要近20的這些裝置來提供與燈泡大致相同的輸出。

　　將LED分組成陣列以提高輸出，從空間、照明、光學和製造觀點引入了挑戰。例如，優化來自LED陣列的光的質量是困難的。雖然LED製造商將它們的晶片分類成近似相同顏色相關溫度(CCT)的“垃圾箱”，但緊密匹配單個裝置，使得消費者在單個夾具中使用時沒有注意到它們之間的差異是昂貴且耗時的。

　　LED陣列的第二個問題是，器件以不同的速率“老化”。固定裝置中的許多LED可以留下大量的剩餘生命，而其他的則已經變暗，導致消費者對該單元進行攻擊。最後，組裝多個LED陣列是困難的和勞動密集型的，進一步推高成本(見技術區文章“LED封裝和功效提高內腔密度”)。

　　通過在更高的電流下操作LED，更少的裝置可以用於相同的亮度，降低系統成本，簡化設計，並減輕光學和製造的挑戰。

　　然而，設計者必須確保在系統設計中迎合相關的溫度上升。

　　當確定LED結溫在追求更大亮度時有多高時，關鍵的考慮因素是燈具本身是否能夠處理所有額外的熱量。雖然LED可能能夠應付，但如果夾具中的其他部件被過多的熱量損壞，那就沒什麼用了。

　　例如，對於一個小形狀的燈泡，比如MR16來說，很難消散超過15瓦的熱負荷——這就限制了產品中使用的典型LED的驅動電流到350毫安區域(圖4，參見TealStand文章“LED地址鹵素MR16固定裝置的缺陷”)。但是較大的固定裝置，具有較大的散熱器的空間，將能夠驅散更高的驅動電流產生的更大的功率。

　　LUMEX MR16形狀因子的影象

　　圖4：MR16形狀因子限制了它能耗散的功率量。

　　另一個不太明顯但同樣重要的考慮因素是溫度對色度的影響。例如，圖5示出了CREE XP E LED的色點如何在25°到85°C的溫度範圍內移動(每個製造商的LED表現出一定程度的色溫隨結溫的升高而變化)。在CIE 1976 L、U′、V′顏色空間中，LED的色點偏移約0.002。這種移位被限制在由紅色四邊形定義的單個容器中，容器的大小使得分組在其中的裝置看起來與人眼的顏色相同。因此，對於這個例子，色度偏移對消費者來說是不可察覺的。

　　CREE XP—E LED結溫變色影象

　　圖5：針對CIEE XP E LED的結溫顏色偏移。

　　人眼能夠感知到的最小色差在顏色空間的黃色和橙色區域中大約為0.003，而紅色區域中的最小色差為0.004。導致這種程度的轉換需要LED變得非常熱。儘管如此，對於使用高正向電流以增加亮度的照明設計，工程師建議仔細檢查資料表，以確定溫度對顏色的影響，當決定如何驅動他或她的LED時(見技術區文章)對白色LED色度的熱效應。“

　　最後的考慮是任何適當的規章制度。例如，能源之星要求LED具有特定的功效。驅動LED更難，可能會導致療效下降到符合要求。

　　充分利用亮度

　　LED照明領域的穩健性導致固態照明的驅動電流相對較低。雖然這有助於LED的功效，但結果是這些器件僅顯示了它們的發光能力的一小部分。

　　現代商業LED比他們的前輩更健壯，並且擁有更高的功效。這些屬性允許當代照明設計師增加驅動電流(而不損害功效太大)，提高亮度，同時降低系統成本和降低設計複雜度。

　　然而，設計者應該知道，升壓驅動電流增加操作溫度，這可能會導致對照明燈具部件的損壞，如果它們沒有被升級以應付以及賦予色度變化。任何新的設計都要考慮到提高驅動電流的溫度效應。