LM-80 For ENERGY STAR : LED元件流明维持率验证

LED灯具相较传统照明的优点为其高效能/长寿命，目前各家LED厂积极导入产品进入LED灯具照明市场，但消费者实际使用后的观感却是LED灯具似乎未如想像中的长效能，经过半年的使用就可发现色温/亮度不均匀的问题，且其价格尚未能贴近消费者的期望，因此大多数消费者仍停留在观望的阶段。

根究其原因在于目前的LED寿命预估并未有一套标准可让厂商遵循，LED灯具厂与LED元件厂的实验方式也不一致。

LED元件厂量测方式:

为了让LED元件维持在Ta(Ambient Temperature)=Tj(Junction Temperature) =25℃的温度下工作，LED元件在未加散热片并使用脉波方式进行寿命实验，因此一般在规格书上可见到其效能数据的温度是Tj=25℃。

LED灯具厂量测方式:

LED灯具为成品，寿命实验则是使用定电压/定电流的方式进行，但LED灯具内包含电源供应器/灯罩/散热片，且LED灯具为多颗LED元件所组成，因此实际的LED元件的工作温度高于实验的环境温度Ta=25℃(Tj>Ta)。

LED的寿命与其使用温度成反比，因此若LED灯具厂直接采用LED元件的寿命数值作为规格时，消费者看到规格与实际使用的落差也就因此产生。

有鑑于此美国能源部(DOE)下的环境保护局(EPA)所颁发的能源之星(ENERGY STAR)提出了LED固态照明灯具的验证方式，其内容中表示若要取得其LED固态照明灯具的认证须检附五项资料:

1、依照IESNA LM-79实验方法产出的光度测试报告

2、依照IESNA LM-79实验方法产出的积分球输出测试报告

3、流明维持率:
  选项一 : LED元件性能
           .依照IESNA LM-80实验方法产出的LED元件测试报告
           .提供LED灯具的ISTMT(LED元件原位置温度测试)报告
   选项二 : LED灯具性能
           .依照IESNA LM-79实验方式产出的6,000小时测试报告.

4、电源供应器
.提供LED灯具的TMPPS(原位置电源供应器温度测试)报告.

5、保固方式

在流明维持率的选项一中需要进行两项的数据实验，其目的就是要以LED元件的LM-80各项温度实验报告推算LED灯具的寿命，如此便可解决元件与灯具不同温度所对应的寿命问题。

依照能源之星的标准，将固态照明灯具应用分成两类，其要求规格与实验标准如表1.
 

表1 : ENERGY STAR固态照明灯具寿命要求.

顾及产品上市时间及数据有效性，按照能源之星与IESNA LM-80的标准，实验时间至少需要6,000小时，参照图1说明.

图1 : ENERGY STAR寿命要求图式

了解能源之星的要求后，接下来讨论LM-80的规范内容，LM-80中实验方式为使用3种测试温度，分别为55℃/85℃，第三温度点由厂商自订，前文中有提到利用LED元件的LM-80报告推算LED灯具光衰寿命，使用下列的范列说明:

LED元件使用25℃/55℃/85℃进行LM-80实验，6,000小时的结果如下表2:
 

表2 : LM-80实验结果数值范例表.

厂商使用该LED元件于LED灯具上量测的温度(TMPLED)为以下三种情况时，LED灯具的光衰寿命计算，可参阅图2:
TMPLED ≦ LM-80测试最低温度(25℃) :
LED灯具直接使用LM-80报告25℃数值作为其光衰数值。

LM-80低温(25℃/55℃) ≦ TMPLED ≦ LM-80高温(55℃/85℃) :
套用公式1，进行LED灯具光衰寿命推估，若LED灯具温度为75℃，
经计算后可得知该LED灯具的光衰维持率为93.6%。

LM-80测试最低温度(85℃) ≦ TMPLED  :
LED灯具无法使用LM-80报告中光衰数值，须采用灯具ENERGY STAR中灯具点亮方式进行，或LM-80进行更高温度测试。


图2 : LED灯具温度与LM-80实验温度光衰说明范例.

经由LM-80的实验搭配In Situ的温度量测，LED灯具厂便可有一套计算寿命的依据，若需要计算更长时间(如:50,000小时)的流明维持率数值则需要搭配IESNA目前正在讨论中的TM-21推估公式来进行计算，此份文件的Draft版本已于2011年出版。
   
LM-80的实验目的为计算LED元件的平均光衰维持率，其实验时间长达6,000~10,000小时，因此建议厂商的LED产品至少要先执行过一般的可靠度实验(如:HTOL/WHTOL/HTSL…等)确认产品无可靠性问题后再执行LM-80的实验，如此便可降低LM-80实验执行过程中的风险。

结语:   
2008年出版的IESNA LM-80在规范中有许多部分未交代清楚，例如:

1、Ts(Case Temperature)的重复定义，此部分常造成读者无法厘清Ts指的是实验的目标壳温还是实际量测的壳温，如Ts≧Ts-2℃、Δ[Ta-Ts]≦5℃，此定义问题已在IES已在网站上更新勘误表, 新的解释能清楚说明其关系式。

2、Ta未有指定量测位置，接近LED或远离LED量测Ta温度可能会造成实验的结果不同。

3、Airflow未订定风速，仅说明Minimized，实际LED灯具在使用时其实不会有类似Chamber的强制对流的环境，只有本身的热对流，此部分未定义也可能会有实验结果误差的产生。

4、制程变更的实验要求，仅在LED灯具中有描述方法，但在LED元件中却未提及，比如色温不同是否需要重新认证?此部分常让厂商不知如何订定实验计划。

以上项目在2011年的LM-80版本应会有较明确的说明，届时应该能让我们能更清楚规范的要求。LM-80的实验已经让LED元件及灯具厂商有了一套共同的标准及语言，对于LED元件厂商来说提供LM-80的测试报告已经是进入LED固态照明灯具的基本门槛，希望能借由此文章让国内LED厂商们加速了解此实验，并取得国际认证。

本文作者：

宜特科技可靠度工程处 曾劭钧经理