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茅于海:采用恒压电源供电是引起LED光衰的重要原因

(2010/1/13 23:25)
采用恒压电源供电是引起LED光衰的重要原因 

     现在大家开始意识到,光衰是大功率LED路灯不能长期工作的主要原因,也开始认识到降低光衰的一个重要方法就是改进其散热。尽管如此,从这次深圳市灯光环境管理中心对各种路灯的测试结果来看,仍然有大多数路灯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Cree公司的测试结果,结温在105度时,14%光衰也应当要在工作了6000小时以后,可见大部分路灯的结温在105度以上。


图1. Cree公司LED的结温和光衰寿命试验结果


可能不少公司不会同意这样的结果,因为他们认为他们的散热器都是经过精心设计的。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?

我认为,可能散热器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!


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:

2.1 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。


4、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。


5、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à正向电流增加à结温再增加à正向电流再增加…… 这就引起结温升高的恶性循环。


结论:光衰加大,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大,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大,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!

评 论
3楼 hhlln 发表于 2010/10/12 08:52 回复
同意二楼
2楼 LIUYONGSHENG 发表于 2010/1/19 10:02 回复
不会吧,是不是采购的是垃圾货,做电子设计的都知道LED要用用恒流供电,简单应用都要有限流电阻,市政部门竟采购到恒压源的LED灯产品,可悲。
1楼 52RD网友 发表于 2010/1/17 11:57 回复
分析透彻,明白
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zwww1212艾为哪颗FM LNA IC 呢?(2-18)
52RD网友孙总这个造型变化很大啊(1-3)
yuzhouyouling天啊。。推荐日志里全是艾为的软文。。。。(12-5)
xtwang1016加油!努力!(10-25)
52RD网友虽然不恰当。。。蛮装逼的(9-29)
52RD网友写得不错(9-18)
caiqing07104感谢楼主分享, 技术贴!(9-12)
caiqing07104感谢楼主分享!!(9-12)