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美国能源部公布LED制造业研发路线图

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过去的2014年8月,美国能源部(DOE)公布了2014年更新的固态照明(SSL)制造业研发路线图,在第四部分总结了产业不同类别的标准工作,希望可以为正在制定的SSL标准提供参考。鉴于目前 OLED(有机发光二极管)技术还没有发展到使用标准的程度,这里重点阐述LED(发光二极管)标准。部分LED标准适用于 OLED,部分 OLED 标准需要重新制定。


标准文件有几种:

标准技术和产品定义;

最低性能规范;

特征描述和测试方法;

标准化报告和格式:Lighting Facts;

工艺标准或者“最佳实践”;

物理尺寸, 接口, 或互操作性标准。


这些通常被认为是行业标准, 但任何一项最后都有可能成为法规或法律要求而具有法律效力。他们通常被表示为“条例(rules)”,“规程(regulations)”,“准则(codes)”,或“规范(specifications)”,尽管有些不为人熟知,但这些标准确实提供了一个有用的框架,将不安全或不达标的产品逐出市场。例如通常在电气产品中要求具有UL类型的标签,或者联邦电器效能立法规定的最低效能要求,这些都属于安全要求。通常,在行业进入成熟期后,一些法律标准才刚刚萌芽。过早的执行这些法律标准反而可能抑制技术的进一步创新。


在将固态照明引入市场的进程中, 不时出现对产品性能不切实际甚至是虚假宣传的索赔。能源部通过制定不同的检验标准和方法,来努力解决这些问题。但是,LED照明发展到现在阶段,一些制造商认为强制性标准或者行业其他符合性测试标准过多或重复,对此已十分不满。能源部也已开始解决这一问题,召集利益相关方进行多种需求调查,寻求方法,尽可能的缩短测试时间,减少成本。


能源部也同众多标准制定组织合作,加速所需标准的制定和实施。能源部支持标准的制定,包括组织研讨会,开展相关工作的协调和协作等。研讨会的参与人员有来自重要标准团体的代表和委员会成员:美国国家标准照明工作组(ANSLG)、北美照明工程协会(IES)、国家电气制造协会(NEMA)、国家标准和技术研究所(NIST)、保险商实验室(UL)、国际照明协会(CIE)、加拿大CSAInternational、国际电工委员会(IEC)。直接同生产有关的标准非常多,并且相当详细,经常被划分至最后两类,即工艺/最佳实践和互通性。


一、固态照明产品的定义


IES发布了RP-16-2010《照明工程的命名和定义》,明确了与 LED 相关用于照明的组件和产品的定义。其他标准制定组织也制定了一些定义性文件,在某些情况下,与 IES 定义如 IEC/TS 62504:2011有冲突。为避免混乱,定义的一致性应该成为标准制定组织的首要任务,DOE 也在开展这方面的相应工作。本路线图报告中使用的是RP-16文件。


二、最低性能规范


《2007年能源独立安全法案》(EISA)和《能源政策与节约法案》的其他修正案对通用荧光灯、白炽射灯、普通白炽灯和紧凑型荧光灯等照明产品确立了强制性最低能效要求。尽管当前还没有专门针对 LED 和 OLED 照明产品的联邦能效标准,但对普通灯,包括 LED 和 OLED,有最低能源节约标准的要求。


美国环境保护署(EPA)能源之星灯具规范版本1.0,于2014年9月30日生效,对整体式LED灯提出了光效要求。LED 灯根据类型和瓦数,光效要求从40lm/W至65lm/W不等。在当前能源之星灯具规范1.2版本中,对非定向灯具,即应用 LED 光引擎或GU-24整体式 LED 灯,最低光源效能要达到65lm/W。


很多标准中提到了对最低性能规范的执行。这些最低性能规范有的具有强制性,有的则是自愿性,其中一些规范由自愿性转变成了强制性。最值得关注的是能源之星(自愿性)和UL(很多是强制性的)。同时,NEMA最近发布的标准SSL4-2-12,对固态照明替代产品提出了建议最低性能标准。SSL 4-2012应用于整体式LED灯,即白炽灯、装饰灯和反射灯的改进型替代品,性能要求包括颜色、光输出、工作电压、光通量维持率、尺寸和电特性。

  

最近几个季度以来,我们收到了一些来自于最低性能标准会带来测试负担的担忧。制造商们对被要求提供各种测试数据纷纷表示关注。部分测试依据的标准是强制性的,另一部分根据市场实际需求的自愿性标准。此外,这些要求有时相互冲突或重叠,这就使得在某些情况下出现重复的测试。相反,固态照明领域的某些人质疑这些标准是否足够有力的为照明产品引领最节能的发展方向。最后,性能标准也出现了公众阻力,导致性能标准执行的不确定性。


三、特征描述和测试方法


近几年来,行业内不断强化意识,使用所推荐的标准测量方法,例如IES LM-79-2008《固态照明设备的电气和光度测量方法》(LM-79),IES LM-80-2008《LED光源的流明衰减测试方法》(LM-80),分别用来测量 LED 初始性能和流明衰减。而如何外推LM-80光通衰减的有限测量数据,从而预测 LED 封装的寿命是一直存在的问题。这是一个非常困难的事情,原因在于 LED 产品设计不同,性能迥异。

  

在能源部的支持下,IES 分委员会在2011年7月完成了IESTM-21-2011《LED 光源的长期流明维持率推算方法》(TM-21)。该文件基于LM-80数据,阐述了 LED 光源流明维持率推算的建议方法。最新的IES LM-84-2014《测量LED灯,光引擎和灯具的光通量和色维持》(LM-84)和IES TM-28-2014《LED灯和灯具的长期光通量维持率推算方法》(TM-28)已经完成,提供了 LED 灯、光引擎和灯具进行流明维持率测试和推算的建议方法。

  

在TM-28中,提出了流明维持率推算的两种流程--第一种是从LM-84数据直接外推出流明维持率,第二种是使用LM-84和LM-80数据的综合外推。但是,能源部警告,流明维持率的推算不能直接转换成对灯具或灯寿命的全部测量,灯具寿命的测量可能要依靠失效机制。

  

对于固态照明产品色度变化相关的问题,引入ANSI C78.377-2011《固态照明产品的色度技术规范》作为明确 LED 分档的标准。2010年 NEMA 公布了SSL3-2010,增进了芯片制造商和灯具制造商对颜色规范的理解。尽管近期没有任何对颜色相关信息的发布,但很多应用产品依旧存在对颜色及颜色漂移、描述困难的问题,很多地区仍继续努力找寻描述颜色和随时间色漂移的更好方法。

  

EPA 能源之星项目规定了测试流程,确定了要进行能源之星认证的 LED 产品。能源部(监管组)向能源之星项目提供持续的技术支持,近期能源之星项目进行了几项程序变更。LED 产品要想获得能源之星的认证,必须在具备资格的实验室进行测试。对于 LED 光源,非定向性 LED 灯具照明能效最低是65lm/W,其测试是依据2012年3月公布的测试程序LM-82,测量参数包括 LED 光源色度、色温、显色指数和功率。流明维持率测量必须遵守LM-80,由 LED 制造商提供。对于 LED 定向性灯具,LM-79中认可的测量方法和流程用以测量光通量、色度和整个灯具的功率消耗。

  

2014年6月,能源部公布了法规提案的补充公告(SNOPR),其中详细描述了整体式 LED 灯的测试流程,目的是协助实施联邦贸易委员会(FTC)在42 U.S.C.§6294(a)(6)中,还有包括 LED 灯具在内的普通照明灯的法律规定中设立的照明事实标签(Lighting FactsLabel)。截止2014年1月1日,要求能源部制定关于普通灯具的法律规定。在测量 LED 灯的光通量,输入功率和色温方面,SNOPR 中参考的是LM-79,做了一些修改。另外,SNOPR中提出了 LED 灯寿命测量的新程序。

  

SNOPR中提出的方法包括四个主要步骤:


(1)测量初始光通量;


(2)灯持续工作一段时间(测试时长);


(3)工作时间结束时,测量光通量;


(4)推算L70,使用的方程式来自能源之星中提出的有关整体式LED灯的最新规范,以及有关灯(灯泡)项目要求:合格性标准-1.0版本里提到的e指数衰减函数。


这项新提案没有纳入LM-84和TM-28的内容。LM-84和TM-28是 LED 测试程序 SNOPR 发布以后公布的,为 LED 灯具光通维持率的测量和推算提供最新的指导。LED 测试程序 SNOPR 和新行业标准LM-84和TM-28都只为光通维持率提供测试流程。包括其他潜在失效机制的测试程序还有待开发。

  

可靠性特征和寿命定义。由于 LED 灯具产品长寿命的说法查无实据,LED 封装或灯具寿命没有统一的定义,这是一个持续存在的问题。照明产品在合适的驱动和室温的条件下工作,通常可发挥 LED 封装的最佳性能。参照2010年首次发布的推荐性规范和2011年6月发布的指南,《LED 灯具的寿命:第2版测试和报告的建议》的后续更新,能源部尝试解决清晰度(和理解度)不足的问题。

  

该指南是能源部同下一代照明行业联盟(NGLIA)工作组共同制定的,并指出应理解和解释影响到产品寿命的失效机制的多样性,使灯具性能的要求更符合实际,提高固态照明的市场接受度和经济状况。在能源部最新发布的固态照明事实工作单《寿命和可靠性》中,详细探讨了 LED 封装和 LED 灯具的可靠性和寿命描述之间的细微差别。

  

在2012年,工作组组建了 LED 系统可靠性协会(LSRC),旨在探索子系统、材料、组件以及模拟方法数据库组建的可能性。模拟方法是对由单个元素信息组成的照明产品的可靠性进行预测描述。灯具系统的可靠性很难直接测量,由于涉及多个失效机制,也很难应用加速测试方法。模拟方法的理念是能够对系统元素进行加速测试,这样就缩短了整个过程。

  

LSRC 探讨得益于能源部固态照明奖项激励下三角研究所(Research Triangle Institute)付出的努力,目前识别出了多种失效方式,以待实施进一步调查。这项工作证实了一个理念,即仅仅依靠 LED 封装光通量衰减进行寿命预估是不够的。

  

同时,IEC TC34提出了基于“主要组件可靠性”测试的规范提案,该测试同 LSRC 提倡的方式相似。这项工作正在进行中。


四、标准化报告文件


本节探讨两种标准化的报告文件:灯具组件性能的标准化报告和终端产品照明性能的标准化报告。为更好地对比替代品,照明组件买家不断提出对标准的报告文件的需求,如已提出的针对电源的更好标准化报告的需求。这一问题在2010年11月圆桌会议上进行了探讨,达成的一致意见是电源性能报告的标准会减轻目前由灯具制造商负责的电源测试的负担。在 CALiPER 圆桌会议上还进行了其他问题的探讨,但至今尚未形成固定的文件或者特征方法。

  

标准化报告文件对于终端产品也是有用的。照明产品设计商、零售商一直呼吁需要与 LED 灯具相关的标准数据文件。但伴随着固态照明产品快速发展的局面,距离此类标准的发布还有一段时间。

  

然而简单的标签标准向买家提供了短期的替代方案。能源部意识到向消费者提供 LED 照明产品性能的标准报告是非常重要的。2008年12月,LED 照明事实(LightingFacts)自愿项目的创建,确保能够在市场上准确代表LED照明产品。LED 照明事实标签对验证产品性能数据进行总结。


9000多项产品的标签和在线注册避免了宣传的过度夸大,有助于保证照明产品买家体验的满意度。对有意向使用标签的灯具制造商,要求公开产品的五个性能数据-光输出(光通量)、功率消耗(瓦特)、能效(单位瓦特的光通量)、色温(CCT)和显色指数(CRI),这些数据的测量按照光度性能测试标准LM-79进行。同可靠性相关的其他指标,包括光通维持率和担保时间,加入至可选的标签指标。

  

最近重新启动了 LED 照明事实的网页,以平衡市场增长和对报告产品性能报告独立验证的需要。制造商无需测试LM-79要求中的每个产品,仅需测试一类产品中的一项,并基于测试产品的性能计算出相关产品的性能。这将有助于减轻来自快速扩张的生产线的测试负担。通过验证测试维持这种平衡,允许 LED 照明事实项目根据新的测试政策,恪守其在提供验证数据方面的承诺。

  

从2012年1月1日起,FTC 已经强制要求所有的照明制造商在普通螺纹球泡封装上贴上标签。封装标签强调的是亮度(光通量)、年度能量成本、预期寿命(基于3小时/天的年数)、色温(CCT)、功率消耗(瓦特数)以及灯泡是否包含水银。FTC 标签主要是消费者标签,而能源部标签是有助于买家的有用工具。实际上,FTC 鼓励利益相关者参考 LED 照明事实标签,尤其是能源部努力改善 LED 灯具的灯泡寿命测试。


五、互操作性和物理标准

  

同报告文件标准化相似,存在两类互操作性/物理标准。第一类是终端产品消费者接口标准,例如 ANSI 灯座和插座标准,是市场驱动的标准;遵守这些标准对于某些照明产品的成功应用是必要的。尽管这些标准中阐述了需要制造的产品类型,一定需要制造商的参与,但是制造商们并不能直接应对制造过程中的挑战。

  

第二类是界面接口标准,可以确保产品的完整性或零部件以无缝方式互换。NEMA 发布了NEMA LSD 45-2009《固态照明灯具组装接口推荐性规范》(Recommendations for Solid State Lighting Sub-Assembly Interfacesfor Luminaires) ,正着手在某种程度上解决这个问题。为维持 LED 和电气组件的散热效果,确保光能输出和寿命在可接受范围内,固态照明灯具内的互联成为系统热量管理的新挑战。NEMA LSD 45-2009为固态照明灯具的电气、机械和热量互联提供了最佳的行业信息,意在记录行业内已有和最新的最佳实践。

  

照明产品制造商也提出了对改善固态照明产品和传统调光控制器之间互操性的强烈需求。NEMA SSL-6《白炽灯固态照明替代-调光最佳实践》(Solid State Lighting for Incandescent Replacement-Dimming),在固态照明产品调光、调光器(控制器)和灯泡(灯具)的互联方面提供指导,但额外仍需要对驱动控制器的标准化。

  

2010年初,为了开发 LED 光引擎的标准规范,照明行业内的众多公司组成了一个国际合作组织 Zhaga 联盟,旨在提供规范,涵盖物理尺寸、以及 LED 光引擎的光度、电气和热量行为。


六、工艺标准和最佳实践

  

2009年 DOE 首次发起制造倡议(Manufacturing Initiative),当时存在与制造开发、LED 技术工艺标准相关的诸多质疑。但随着行业的逐渐成熟,这种质疑有所改观,很大程序上取决于 SEMI 和其成员单位的努力。SEMI 和其成员单位于2010年11月在行业设备制造商和材料供应商强有力的支持下组建了 HB-LED 标准委员会。


固态照明产品生产使用的材料和设备标准,使得制造商能从多个供应商那里购买设备和材料,且成本低,质量好,无需大改动或调整即可投入生产。对于行业的供应商而言,标准的统一也能减少对不同材料配件过量的库存。库存减少意味着成本的降低,交货期也相应缩短。SEMI HB-LED 标准委员会也在不断发展壮大,注册的工作小组成员超过了120家,代表了 LED 照明产品在全球制造业供应链的关键单位。公布的标准包括 SEMI HB1-0113,蓝宝石晶片规范等,最新 SEMI 草案5420A也已通过批准,其规定晶片盒为150mm。SEMI 的其他活动也正在进行中。


【版权信息】本文来源于励测检测LTL,由照明微课堂编辑整理,转载请注明。

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