采用熱分箱技術(shù)提高LED的色度精度與一致性

盡管LED制造工藝復(fù)雜，但生產(chǎn)相同色度和相關(guān)色溫(CCT)的LED是不可能的。相反，制造商將完成的組件分類為具有緊密匹配輸出的設(shè)備的“箱”。然后，工程師根據(jù)其最終產(chǎn)品規(guī)格從緊密匹配的箱中選擇產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的裝箱方法的缺點(diǎn)是LED通常在350 mA的任意驅(qū)動(dòng)電流和25°C的結(jié)溫(工廠的典型環(huán)境溫度)下進(jìn)行測(cè)試。這些參數(shù)在商用LED的早期階段是令人滿意的，因?yàn)樵O(shè)備經(jīng)過(guò)保守處理以延長(zhǎng)使用壽命，但是今天更堅(jiān)固的芯片驅(qū)動(dòng)更加困難，工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)用于分級(jí)測(cè)試的結(jié)溫。 LED色度隨溫度漂移，因此測(cè)試和工作溫度之間的這種差異可能使得難以為給定的應(yīng)用選擇所需的色度。

然而，最近，一些開(kāi)創(chuàng)性的LED制造商，如Cree，采用了所謂的熱裝箱。這些制造商不再將產(chǎn)品在25°C下裝箱，而是將其元件分組在85°C - 更接近當(dāng)今的典型工作溫度 - 提高色度選擇的精度和使用LED的最終產(chǎn)品的一致性。本文著眼于熱分箱的優(yōu)點(diǎn)，并重點(diǎn)介紹了一些受益于該技術(shù)的LED。

分類LED

LED采用復(fù)合材料制造半導(dǎo)體制造工藝，受量子力學(xué)定律支配。兩者都引入了色度的變化(顏色 - 由LED發(fā)出的光子的波長(zhǎng)決定)，CCT和最終產(chǎn)品的最佳正向(驅(qū)動(dòng))電壓。

在LED的早期 - 基于主流照明，這為照明工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因?yàn)槊x上相同的產(chǎn)品發(fā)出不同顏色的光(眼睛的顯著能力甚至無(wú)法檢測(cè)到最微小的顏色變化)。對(duì)于包含許多這些“相同”燈的裝置，這種顏色變化對(duì)提高LED作為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的聲譽(yù)幾乎沒(méi)有作用。

解決方案采用分級(jí)的形式，這是一個(gè)過(guò)程，芯片制造商將LED預(yù)先分類為緊密顏色匹配的組(“分檔”)，以便工程師可以從一小組相鄰組中選擇組件確保消費(fèi)者無(wú)法察覺(jué)最終產(chǎn)品的任何顏色變化。還對(duì)箱進(jìn)行分類以考慮CCT和正向電壓變化。該技術(shù)借鑒了傳統(tǒng)照明制造商，這些制造商多年來(lái)一直使用它來(lái)對(duì)傳統(tǒng)照明中的顏色變化進(jìn)行分類，例如熒光和金屬鹵化物設(shè)備。

在LED的情況下，箱子由沿著國(guó)際委員會(huì)國(guó)際委員會(huì)(CIE)1931 x，y色空間中的“黑體”軌跡繪制的一系列色度四邊形來(lái)定義。四邊形名義上等同于CCT和偏離黑體軌跡的窄范圍。 (參見(jiàn)TechZone文章“定義白光LED的顏色特性”。)制造商通過(guò)在預(yù)先確定的測(cè)試條件下精確測(cè)量樣品的輸出來(lái)確定LED屬于哪個(gè)箱。圖1顯示了Cree的XLamp MHD-G的分檔四邊形，這是一系列中功率LED，在106 lm/W(正向電流350 mA，正向電壓36 V)下提供1335 lm。

關(guān)于測(cè)試條件的選擇沒(méi)有硬性規(guī)定，但大多數(shù)主流制造商最初都采用350 mA，3 V驅(qū)動(dòng)電流/電壓(“1 W” “功耗”和25°C的結(jié)溫。驅(qū)動(dòng)電流/電壓的選擇非常有意義，因?yàn)樗窃摷夹g(shù)早期LED領(lǐng)域中最常用的。然而，結(jié)溫的選擇更多是為了方便而不是模仿實(shí)際工作條件，因?yàn)樗试S制造商通過(guò)檢查L(zhǎng)ED來(lái)加速測(cè)試，而無(wú)需等待元件升溫到典型的工作溫度，然后再快速移動(dòng)到下一個(gè)工作溫度裝置。

早期的照明LED很脆弱，特別是熱量可以很快殺死芯片。因此鼓勵(lì)工程師限制結(jié)溫以提供合理的壽命。 (請(qǐng)參閱TechZone文章“了解高亮度LED褪色的原因”。)盡管如此，典型的工作溫度通常會(huì)超過(guò)LED裝箱的25°C測(cè)試極限。增加結(jié)溫導(dǎo)致LED色度和CCT在CIE x，y顏色空間中漂移。 (參見(jiàn)TechZone文章“對(duì)白光LED色度的熱效應(yīng)”。)

LED制造商認(rèn)為，這種漂移不太可能將LED的x，y坐標(biāo)移動(dòng)到四邊形定義的邊界之外垃圾箱因此對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是不可察覺(jué)的。在最糟糕的情況下，制造商聲稱，工程師可以通過(guò)參考制造商數(shù)據(jù)表的擴(kuò)展測(cè)試結(jié)果圖來(lái)計(jì)算效果，以確保達(dá)到預(yù)期的最終結(jié)果。

然而，今天的芯片是不同的;他們更加堅(jiān)強(qiáng)。這種增強(qiáng)耐用性的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于工程師可以利用更高驅(qū)動(dòng)電流增加亮度的事實(shí)。圖2顯示了Philips Lumileds LUXEON 3030 LED，84 lm，115 lm/W(120 mA，6.1 V)設(shè)備的這種關(guān)系。通過(guò)提高果汁，工程師可以減少給定輸出所需的LED數(shù)量，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和裝配。 (參見(jiàn)TechZone文章“高電流，高亮度LED簡(jiǎn)化電源解決方案”。)

缺點(diǎn)是這些較高的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)推高結(jié)溫，從而增加了分檔和工作溫度下LED輸出之間的色度漂移。溫度之間的這種相對(duì)大的差異使得難以計(jì)算色度和CCT偏移的計(jì)算。更糟糕的是，在如此寬的范圍內(nèi)，由于每個(gè)設(shè)備的色度偏移并不相同，即使在相同操作條件下來(lái)自同一個(gè)箱的LED也可能在漂移方面顯示出顯著差異，因此也就是最終輸出。

加熱

一些制造商已經(jīng)解決了通過(guò)實(shí)施熱裝箱來(lái)在較高工作溫度下表征LED輸出的挑戰(zhàn)。 Cree聲稱是第一家在2011年推出該技術(shù)的制造商 1 ，但后來(lái)又被其他幾家大公司加入。這組公司已經(jīng)融合在85°C的結(jié)溫下進(jìn)行熱裝箱，因?yàn)檫@對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用而言是一個(gè)合理的中點(diǎn)。

Cree于2011年2月推出了熱裝式XLamp MT-G，隨后該產(chǎn)品系列又增加了五個(gè)主要的Cree XLamp平臺(tái)，包括最新的XM-L2設(shè)備(310 lm，155 lm/W(700 mA) ，2.85 V)。圖3顯示了溫度對(duì)在85°C下裝箱的XM-L2設(shè)備的相對(duì)色度的影響(即相對(duì)于裝箱溫度的變化)。

Philips Lumileds和OSRAM還提供熱裝LED。例如，Philips Lumileds' LUXEON 3020 LED(45 lm，123 lm/W(120 mA，3.05 V)在85°C下進(jìn)行測(cè)試。同樣，OSRAM的OSLON Square平臺(tái)(172 lm，85 lm/W(700 mA，2.9 V))進(jìn)行了binning測(cè)試較高的溫度。

熱量分級(jí)是有用的，因?yàn)樯绕朴?jì)算的起點(diǎn)比25°C測(cè)試更接近典型的工作溫度。但是，如果工程師仍需要進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。系統(tǒng)將在85°C以外的任何溫度下運(yùn)行。例如，冷凍箱中使用的LED工作溫度為20-25°C，室外燈具工作溫度為60-65°C，筒燈采用隔熱天花板或幾乎任何改型燈泡通常在100°C以上運(yùn)行。

同樣非常重要的是要認(rèn)識(shí)到熱分級(jí)沒(méi)有說(shuō)明一旦溫度偏離測(cè)試點(diǎn)，LED色度漂移的速度有多快。與信譽(yù)較低的產(chǎn)品相比，信譽(yù)良好的制造商提供的質(zhì)量更好的設(shè)備在很寬的溫度范圍內(nèi)變化很小。