白光發光 LED 已被證明是一項顛覆性技術，挑戰所有舊形式的光產生方式。其潛力包括：1） 超長壽命（》35，000 小時）、2） 極高光效（理論上約為 250 流明/瓦）以及 3） 低溫運行已席卷照明市場。這些對技術的巨大期望促使 LED 制造商和整個行業制定測試標準，以確保照明產品體現消費者所期望的性能，無論是終用戶還是 OEM 制造商。與普通燈絲白熾燈不同，LED 不會“燒壞”，而是可能會根據工作條件逐漸經歷光輸出下降。

　　LED 為何會退化？

　　LED 是復雜的固態器件。圖 1 顯示了典型器件的橫截面，顯示了構成封裝 LED 的各種結構。為簡單起見，我們將組件分為 3 個區域。首先，包含 p/n 結的半導體器件，在傳統白光 LED 的情況下，實際上會產生波長約為 450 nm 的藍光。其次是磷光體層，它吸收藍光并將其轉換為寬頻帶的顏色，眼睛將其感知為白色，其方式與熒光燈管大致相同。，有一系列透明層封裝半導體和準直出射光的透鏡。這三個區域中的每一個都可能參與設備的退化，盡管通過不同的機制。

　　半導體結。LED 制造商非常重視構成二極管 p/n 結的半導體的工藝和成分。然而，目前所有器件均由歸類為 III-V 族材料的材料組成：Ga、In 或 Al 與元素周期表相應第 3 列和第 5 列中的 N、P、As 組合。事實上，所有商業器件都是異質結，這意味著它們是不同化合物的組合。此外，它們是單晶結構，依靠化學氣相沉積的外延生長來形成。這些層生長在藍寶石或碳化硅等基板上。它們通常是復雜的層狀結構，即所謂的“量子阱”，可以仔細操縱電子過程，以限度地將電荷轉化為光。這些不同材料組合的后果之一是由于層間原子晶格尺寸和熱膨脹系數的不匹配而產生缺陷。這些缺陷的結果是晶格結構中的原子缺陷，無論是在材料的本體中還是在不同材料之間的界面處。為了產生從多數載流子注入的光電子，n型摻雜層與從結內的p型接觸注入的空穴復合以形成藍光。然而，并非所有電子和空穴都會重新結合來產生光，否則我們將擁有更高的性能！載流子的非輻射復合可能通過多種機制發生，但從可靠性的角度來看，重要的機制發生在半導體內的這些缺陷處。由于這些缺陷的能級低于半導體的導帶和價帶，因此它們充當電子和空穴非輻射復合的方式，從而發出熱量而不是光。該能量可能非常大，與化學鍵的能量相當，從而通過化學鍵的位移或斷裂產生更多缺陷。這會引發滾雪球效應，并隨著時間的推移而加速。圖 2 是半導體的簡化能帶圖，顯示了各種復合過程。在化學鍵的能量的數量級上，從而通過化學鍵的位移或斷裂產生更多的缺陷。這會引發滾雪球效應，并隨著時間的推移而加速。圖 2 是半導體的簡化能帶圖，顯示了各種復合過程。在化學鍵的能量的數量級上，從而通過化學鍵的位移或斷裂產生更多的缺陷。這會引發滾雪球效應，并隨著時間的推移而加速。圖 2 是半導體的簡化能帶圖，顯示了各種復合過程。

　　熒光粉。熒光粉將 LED 發出的 450 nm 藍光轉換為可見光譜的各種顏色，從而產生白光。它們通過吸收藍光并以受控方式損失部分光子能量，在較寬的波長帶上將藍色下轉換為紅色、綠色和藍色來實現這一點。這些磷光體通常是復雜的稀土硅酸鹽或氧化物，并且可以進行摻雜以確保特定的發射波長。雖然這些材料是多晶的，并且已經包含許多原子缺陷，但上一節中描述的重組在這里也很活躍。此外，化學過程（例如與水蒸氣或其他化合物的反應）也可能導致降解。因為這些效果高度依賴于熒光粉的化學成分，由于所使用的熒光粉是專有設計的一部分，因此 LED 之間可能存在相當大的差異。即使在制造商的產品線中，通常也會使用不同的磷光體，或者以不同的方式應用它們，從而產生特定的行為。

　　透鏡和密封劑。用于準直從半導體芯片熒光體結構發出的光的透明透鏡和保護性封裝材料必須在 LED 的整個使用壽命期間保持高透射率。由于 LED 在升高的溫度和濕度下工作，因此這里也可能會發生性能退化。此外，從 LED 熒光粉中射出的藍光也可能在變暗過程中發揮作用。再次強調，鏡片的具體化學成分和結構將決定其在正常和不利環境下的行為，并且高度依賴于工藝和成分。

　　結論。LED 工作期間發生的復雜電氣和化學過程會導致光輸出下降，很難通過簡單的分析表達式進行量化。雖然對其中一個或兩個過程進行數學描述是可能的，但這些過程復雜的重疊和相互依賴使其目前不可能。

　　標準：LM-80 和 TM-21

　　照明工程學會 （IES） 制定了 LED 測試標準，以便能夠以一致的方式表征性能和可靠性，以評估其實際壽命。LM-80 一項標準描述了用于確定 LED 的“流明維持率”（即光輸出與時間的關系）的方法。測試協議規定的基本特征是：

　　- 環境和 LED 外殼溫度和方向

　　- 驅動電壓、電流和波形 -

　　儀器

　　該標準要求在環境空氣溫度為 25°C、LED 外殼溫度為 55°C、85°C 以及制造商選擇的其他溫度下測量光輸出。驅動電流由制造商指定，因為該電流隨 LED 芯片面積的變化而變化。測量時間至少為 6000 小時（為 10，000 小時），間隔多為 1000 小時。一線制造商的常見做法是采用幾種不同的驅動電流。正如我們稍后將看到的，這對于我們確保 LED 壽命的方法非常重要。

　　盡管 LM-80 提供了一種在標準化條件下測量光輸出隨時間變化的統一方法，但實際上 LED 的使用溫度可能與 LM-80 值有很大不同。而且，由于這不是加速測試方法，因此需要很長時間才能得出可靠性結論。另一項更新的 IES 標準 TM-21 有助于解決這一困境。該標準實際上是 LED 退化的“臨時”模型，允許在溫度之間插入時間-溫度數據，并將數據外推到未來，以預測長時間內的輸出。該標準的要點是：

　　- 假設光輸出 （LOP） 呈指數下降

　　- LOP 可在時間上外推 6 倍

　　- 溫度之間的插值基于“活化能”

　　用數學術語來說，光輸出的減少可以表示為：

　　其中 L（t） 是時間 t 時的流明輸出，B 是 0 或 1 小時時的歸一化光輸出，α 是衰減率，它是溫度的函數。根據 Arrehenius 表達式，α 的值隨溫度變化，

　　其中 Ea 是活化能，k 是玻爾茲曼常數，T 是開爾文溫度，C 是常數。TM-21 標準僅允許對溫度數據進行插值，因此對于兩個溫度 T1 和 T2，我們可以計算激活因子 Ea/k，如下所示：

　　一旦激活因子已知，就可以直接根據中間溫度的 Arrehenius 表達式計算衰減率以及由此產生的時間依賴性。圖 8 顯示了真實 LOP 數據以及基于這些計算的外推和內插值的圖表（參考：Mark Richman LEDs 雜志）。

　　驅動電流對流明維持率的重要作用

　　LED 的驅動電流在決定流明維持率方面起著重要作用。正如本文開頭所討論的，半導體中的復合會導致缺陷增加和輻射效率降低。因此，按理說，驅動電流必定在流明衰減中發揮重要作用。不幸的是，目前沒有標準建議在這種情況下進行測試，并且由 LED 制造商選擇測試中使用的電流值。幸運的是，制造商做出了明智的選擇，并且擁有大量數據。

　　圖 7 生動地說明了驅動電流的重要性，尤其是在高溫下。在此圖表中，TM-21 用于推斷半導體結溫約為 127oC 時 LED 的流明維持數據。可以清楚地看到，隨著電流從 0.35 A 上升到 1 Amp，退化速率有非常大的增加。從該圖表中還可以看出，L70 值（光輸出減少至初始值的 70%）從 0.35 安培時的 91，000 小時以上減少到 1 安培時的 22，900 小時，有效使用壽命大幅縮短。（嚴格來說，LM-21 只允許在時間相關數據之外進行 6 倍外推；我顯然已經超越了這一點來說明這一點）

　　LEDSense技術的重要性

　　鑒于在高電流水平下運行會導致流明維持率大幅降低，因此在驅動電子設備中提供一種方法來保護 LED 照明產品的運行非常重要。熱折返提供了這樣的安全網。熱折背很重要，因為：

　　-無論條件如何，它都可以實現亮度和長使用壽命

　　-它為 OEM 提供了“無憂”的解決方案

　　-它幾乎消除了現場安裝不良的后果

　　TerraLUX 的熱折返實施稱為 LEDSense？，采用微處理器控制的恒流驅動器。圖 5 所示為 LEDSense 電路基本特征的框圖。根據輸入電壓范圍和決定所需輸出電壓的 LED 燈串長度，使用各種降壓或升壓拓撲。LED 的溫度通過位于器件熱路徑中的熱敏電阻進行測量，從而確定 LED 的工作溫度。微處理器通過 A/D 轉換器測量該值，并通過內置算法將其與 LED 的已知工作特性進行比較。然后處理器通過其 D/A 轉換器設置驅動器的電流。通過正確設計和操作的燈具-光引擎組合，電流（和溫度）保持在預定的安全水平。如果溫度超過預設閾值，處理器中的算法會通過固件算法逐漸降低當前設定點，以確保 LED 的使用壽命。微處理器還用于分析電源波形，以便根據所使用的特定調光器-變壓器組合定制驅動器操作，從而為 OEM 制造商帶來額外的好處。

　　由此產生的性能特性如圖 6 所示。該圖比較了兩個 LED 光引擎示例的驅動電流與 LED 溫度，個（藍色方塊）沒有使用 LEDSense 技術，另一個（紅色圓圈）使用 LEDSense 技術。在此示例中，外部控制的溫度是光引擎散熱器背面的溫度，但我們繪制了 LED 的塊狀溫度；藍色虛線旨在說明由組件熱阻和驅動功率水平導致的溫度偏移。

　　還顯示了根據 TM-21 標準為 LED 計算的 L70 時間（盡管我再次將其延長到低電流條件下的建議時間之外）。LED溫度不受控制，但在電流下工作的情況下，其值顯著縮短，僅為13，900小時。相比之下，LEDSense 功能已將電流降低到有效“抵消”現有高溫條件對壽命的負面影響的程度。盡管在這種情況下，用戶會注意到明顯的變暗，但由于眼睛在高亮度下不敏感，不太明顯的過溫情況可能很難檢測到。盡管如此，即使在僅有輕微過熱情況的區域，LEDSense 算法也能保證 LED 的安全。

　　結論

　　業界已制定了綜合標準來測試 LED 并描述其隨時間的退化情況。然而到目前為止，這些標準僅允許根據工作溫度進行預測。我們已經證明，驅動電流與工作溫度的結合對 L70 定義的 LED 壽命具有極其重要的影響。熱折返提供了一種有用的方法來確保控制在 LED 的安全工作范圍內；TerraLUX 的 LEDSense？ 技術具有定量控制算法的額外優勢，可確保 LED 壽命和光輸出。