解析能源之星计划对LED照明产品寿命的评估方法

　　　　对于LED照明产品流明维持寿命的测量评估，不像测量总光通量、相关色温、显色指数等性能参数那样，可以通过光学测试设备快速测量获得，而需要进行长时间的测试记录，并对测试数据进行拟合分析，预估产品的使用寿命。本文研究了LED照明产品能源之星计划的要求和大量相关标准资料，解析了目前能源之星规范对整体式LED灯和LED灯具流明维持寿命评估规则，为LED照明产品流明维持寿命预测的研究提供参考。

　　一、引言

　　自从2007年美国能源部发布固体照明(SSL)产品能源之星[1]计划以来，国内鲜有照明企业开展能源之星的检测认证，可能出于各种原因的考虑。其中主要原因之一便是能源之星规范对于整体式LED灯和LED灯具的流明维持寿命的评估，需要较长的测试时间，而LED照明技术日新月异，很多企业担心做完6000小时的流明维持寿命测试后，又有新产品推出，原产品又要退出市场。

　　目前LED照明从光源、驱动，到散热等关键技术都得到了很大的提升，并逐渐趋于成熟。同时，各国的LED照明标准体系也逐渐确立，其中包括欧盟的ErP指令，香港机电工程署推出的LED灯能源效益标签计划，中国制定的CQC节能认证等。因此，LED照明产品的能效认证是势在必行的。总光通量、相关色温、显色指数等这些性能参数都可以根据IES LM-79-08这一标准[2]，通过光学测试设备快速测量获得，而流明维持寿命目前还没有加速老化的实验方法[3]，进行几万小时的长期实验显然也是不现实的，因此需要有比较合理的评估方法进行LED灯和灯具的流明维持寿命评估。

　　本文通过对能源之星规范和相关IES标准的研究，解析了整体式LED灯和LED灯具流明维持寿命的评估方法。

　　二、能源之星认证的要求

　　能源之星规范和IES LM-80-08等[4]标准对LED照明产品寿命中止的定义不像是对传统照明产品的定义一样，即产品工作到不能点亮的总燃点时间，而是用L70的流明维持寿命来定义其寿命中止，即LED照明产品的总光通量衰减到其初始总光通量的70%时的总燃点时间。目前LED照明产品都有宣称几万，甚至十万小时的流明维持寿命，而事实是不可能进行如此长时间的寿命测试来证明产品所宣称的寿命，同时目前也没有比较成熟的加速老化测试方法。因此，能源之星针对整体式LED灯和LED灯具制定了一套规则来评估产品的流明维持寿命标准。

　　其中，对整体式LED灯流明维持寿命的评估，能源之星[5]的要求为：1)提供所使用LED光源的IES LM-80-08的测试报告，且6000小时的流明维持至少达到91.8%；2)LED灯中所使用LED光源指定测试点的温度和驱动电流都不能大于IES LM-80-08测试报告中的最大壳温和驱动电流条件；3)LED灯3000小时的流明维持也要不小于95.8%(对于装饰灯是93.1%)。整体式LED灯在满足以上3点要求的同时，若其它性能参数也能达标，产品便可获得能源之星的初始认证，可提前使用能源之星的标签。而要获得全面认证，还需完成6000小时的流明维持寿命测试，同时流明维持结果也要达到91.8%(对于装饰灯是86.7%)。否则，产品不能继续使用能源之星的标签。如果不能提供所使用LED光源的IES LM-80-08的测试报告，则整体式LED灯要完成6000小时的流明维持寿命测试，并达到能源之星规范的要求，才能获得能源之星的认证。

　　而对于LED灯具的流明维持寿命评估，能源之星的要求[6]，也有两种可选的方案，其一为如能达到类似整体式LED灯第1)和2)两点的要求，且LED灯具中所用驱动器的最大使用温度不超过驱动器制造商推荐的最大值即可，不需要提供第3)项的测试结果，这样可以大大节省能源之星检测认证的周期。否则，LED灯具也要完成6000小时的流明维持寿命测试，才能申请能源之星。

　　因此，如能提供满足要求的LED光源IES LM-80-08测试报告，则可大大缩短整体式LED灯和LED灯具能源之星检测认证的周期。

　　三、流明维持寿命评估方法

　　由于LED照明产品的流明维持寿命不仅取决于所使用LED光源的流明维持寿命，而且取决于所使用的驱动器及其内部元器件的寿命，还取决于其散热部件、防护结构等多种因素，并且各个因素之间又相互关联，相互影响。因此，对于LED照明产品的寿命和可靠性的评估，是一个复杂的系统工程。本文主要从LED光源和驱动器两方面探讨整体式LED灯和LED灯具的流明维持寿命。

　　要对整体式LED灯和LED灯具的流明维持寿命进行简单且较正确的预估，有两个最基本的前提，一是需要提供所使用LED光源按照IES LM-80-08的测试方法测量出的流明维持数据；二是保证LED驱动器在整个产品的额定寿命过程中，能为LED光源提供较稳定的驱动电流条件。

　　首先，需要确认LED照明产品中所使用的LED光源是否在光源制造商提供的规格书中允许最大正向电流和允许最大结温的范围内正常工作。对于正向电流IF的测量，可以在LED照明产品的驱动器和光源之间串入电流表，测得通过串联方式的LED光源的正向电流。对于LED光源结温Tj的测量，可以通过检测LED照明产品正常工作稳定时的LED焊点的温度TS，利用(1)式计算出此时PN结的温度。

　　(1)

　　其中，RθJ-S为PN结到焊点的热阻，VF为LED光源的额定正向电压，这两个参数都可以从LED光源的规格书上获取。

　　对于LED灯具产品，由于其驱动器是外置的，因此可以同时监测其正常工作时的外壳温度，确保其不在超过驱动器厂商规定的最高温度条件下工作，才能保证其为LED光源提供正常的驱动条件。

　　然后，从LED光源的IES LM-80-08的流明维持测试数据，确定测试时的LED驱动电流条件，老化测试的温度范围，以及在不同温度条件下的流明维持的情况。根据IES LM-80-08标准提出的LED光源在不同壳温条件下的流明维持测试方法，获得的测试数据可以通过如下(2)式指数函数进行拟合，推算出LED在指定温度下，各时间点的流明维持情况。

　　式中，t为以小时为单位的时间，Φ(t)为在时间t时的平均归一化光通量，B和α均为曲线拟合的参数。

　　由于LED光源可能被用于不同的照明产品中，其在不同照明系统中实际工作时的壳温与按IES LM-80-08标准进行测试时的壳温条件不一定一样，因此需要根据IES TM-21-11标准[7]使用插值法推算LED在其他壳温条件下的流明维持情况。虽然IES TM-21-11标准提出了可推算在IES LM-80-08测试数据中选取的最大壳温和最小壳温之间的任何温度点的流明维持情况，但还没有提出可推算LED光源在不同驱动电流条件下的流明维持情况。所以，LED照明产品能源之星要求对于利用LED光源的IES LM-80-08测试报告的数据评估LED灯或灯具的流明维持寿命时，流过LED照明产品中LED光源的驱动电流必须不大于LED光源的IES LM-80-08测试报告中的驱动电流测试条件，否则不能使用LED光源的流明维持寿命推算LED灯或灯具的流明维持寿命。

　　最后，由于LED光源和驱动器是影响LED照明产品流明维持寿命的两个主要的因素，且两个因素之间又互相影响，相对于LED灯具产品，整体式LED灯产品中的这一性质更为明显，因为其光源和驱动器是集成在一个较小的器具中，相互的热辐射和性能变化都将影响产品的整体流明维持性能。因此，需要保证LED驱动器在相应的环境条件下，其输出特性是相对稳定的，不会对整体式LED灯的光输出产生较大的影响。这也解释了，能源之星认证中，对于都使用具有满足要求的LED光源的IES LM-80-08测试报告时，LED灯具产品不再需要进行长时间的流明维持寿命测试就可以直接申请能源之星认证，而整体式LED灯还需要进行完3000小时的流明维持测试后方能进行初始认证，6000小时流明维持寿命测试后才能完成全面认证。

　　四、结论

　　本文解析了整体式LED灯和LED灯具申请美国能源之星认证中主要影响认证周期的流明维持寿命测试项目，以及其流明维持寿命的评估方法。本文希望可以帮助国内LED照明产品厂商更好地理解美国能源之星认证的LED照明产品流明维持寿命测试项目，以及把控申请认证的周期，并为LED照明产品流明维持寿命预测的研究提供参考