2012年3月21日 星期三

高亮度LED的認識

以LED 晶粒製造商Philips Lumileds 之高功率、高亮度的產品為例,分別解釋LED的光輸出與溫度的關係、LED壽命與操作電流、接面溫度(Junction temperature)之間的關係。
下圖為LED光電轉換效率與溫度之關係。LED光電轉換效率的意義為:發光亮度(lm)/輸入功率(mW)的比值。另,其thermal pad的溫度,是指LED 封裝基板底面的溫度。其光電轉換效率為1時,係指thermal pad的溫度維持在常溫25℃下時的狀況。由圖可知,光電轉換效率在thermal pad的溫度愈低時,光電轉換效率愈高,在thermal pad的溫度愈高時,光電轉換效率愈低。
但在一般熱管理上,無法以被動的方式,將thermal pad維持在與環境溫度相同的溫度;因此,實際操作下,thermal pad的溫度將遠高環溫,因此LED的效能將因接面溫度的上升而降低。以圖2為例,當LED 封裝基板底面的溫度達110℃時,效率已降至約為25℃下時的狀況的80%左右而已,散熱的技術與系統效率可見一斑。



圖2:LED的發光特性與溫度的關係

值得一提的是,主動式的強制對流(如使用風扇等),相較於被動式自然散熱(如僅以散熱片散熱)的方法,學理上有約10倍的效能,故在散熱界真對高瓦特數/高熱量的產品,一般會以主動式的強制對流來解決散熱需求。
在說明下圖之前,需先解釋圖中(B50,L70)的意義。B50表示有50%的LED,經過一段時間之後,其LED亮度還能維持在原初的亮度值的70%(L70的意義)以上;最常見的失效模式,是亮度不足或是點不亮。而此定義,維持傳統燈泡對壽命定義的方式。
為什麼要以70%為亮度衰減的閥值呢?原因是任何光源,當其亮度衰減到原初亮度的70%時,人眼剛好可以鑑別其亮度的衰退,產生明、暗的感覺。另外若針對戶外用的LED燈具,因考慮到爾後維修的成本高,有些要求會將B50提高為B10(指10%無為失效模式),其亮度的維持度與壽命將因此而降低。

 

圖3:LED期望壽命與驅動電流、接面溫度之間的關係

由圖3可知,愈低的操作電流,LED可承受更高的接面溫度(Junction temperature);反之,操作電流愈高,接面溫度須維持在較低的水平。
舉例來說,LED路燈其上每顆LED的操作電流為1.5A時,要維持LED晶粒在6萬小時的期望壽命下,其接面溫度需要低於120℃;而當每顆LED晶粒操作在700mA時,在同等6萬小時的期望壽命上,LED接面溫度可以提高到142℃。但是圖三有一沒有說明的,即愈低的輸入電流、愈低的接面温度,其光電轉換效率愈高、愈節能環保;因此,在目前的階段中,要使LED路燈顯現節能、環保的優勢,必須具備較高的光電轉換效率,因此好大一部份的LED路燈製造商將其每顆LED晶粒的驅動電流維持在350mA左右。
只有少數散熱有較高技術水平的公司,可以將其LED晶粒的驅電電流提高到700mA以上;如此,這類的供應商,其LED路燈模組的價格,將因使用更少的LED晶粒,而達到成本低減的目的,同時並顯現節能、環保的述求。