LED 照明系統(tǒng)的可靠性：確保穩(wěn)健的設(shè)計(jì)

在 LED 照明產(chǎn)品首次應(yīng)用于普通照明至少 10 年后，如何評(píng)估 LED 照明產(chǎn)品的可靠性仍然是一個(gè)持續(xù)爭(zhēng)論的話題，有時(shí)甚至是混亂的話題。下面我們將了解一些用于可靠性設(shè)計(jì) LED 照明系統(tǒng)的指標(biāo)和流程。

白熾燈或熒光燈等現(xiàn)有照明技術(shù)的壽命通常以平均額定壽命為特征，即連續(xù)運(yùn)行的燈的一半測(cè)試群體發(fā)生故障(即不再發(fā)光)的時(shí)間(以小時(shí)為單位)。白熾燈的平均額定壽命約為 1,000 小時(shí)，緊湊型熒光燈約為 12,000 小時(shí)，線性熒光燈約為 25,000 小時(shí)。相比之下，在適當(dāng)環(huán)境條件下運(yùn)行的 LED 可以發(fā)光 100,000 小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，因此無(wú)法測(cè)量平均額定壽命。

相反，LED 照明壽命使用 L70 指標(biāo)來表征，這是以小時(shí)為單位的時(shí)間，以流明 (L) 為單位測(cè)量的光輸出下降到初始值的 70%。從可靠性工程角度來看，L70 的缺點(diǎn)是測(cè)試方法由公認(rèn)的照明權(quán)威機(jī)構(gòu)照明工程學(xué)會(huì)發(fā)布，僅基于 LED 封裝的流明輸出測(cè)量值，不考慮其他系統(tǒng)組件，例如驅(qū)動(dòng)器、熱管理設(shè)計(jì)，甚至光學(xué)器件?，F(xiàn)有的照明制造商并沒有把重點(diǎn)放在整體系統(tǒng)的可靠性上，因?yàn)闊魩缀蹩偸堑谝粋€(gè)出現(xiàn)故障的組件。隨著 LED 照明的出現(xiàn)，制造商和最終用戶已經(jīng)開始明白，照明系統(tǒng)的其他部分可能是整個(gè)壽命的限制因素，如下表所示。

產(chǎn)品類別使用壽命(小時(shí))

白熾燈1,000

節(jié)能燈12,000

線性熒光25,000

點(diǎn)燈25,000

LED燈槽56,000

LED路燈50,000

表 1 SSL 與其他照明技術(shù)相比的典型性能

正式意義上的可靠性是部件或系統(tǒng)在指定的操作條件下在指定的時(shí)間段內(nèi)按預(yù)期運(yùn)行的概率。產(chǎn)品可靠性評(píng)估幾乎總是基于加速壽命測(cè)試統(tǒng)計(jì)建模和預(yù)測(cè)。對(duì)于 LED 照明系統(tǒng)，流明衰減和其他組件的故障都會(huì)影響整體可靠性，如下圖所示。但是，將照明系統(tǒng)性能的這兩個(gè)不同方面結(jié)合起來的統(tǒng)計(jì)模型被證明是難以捉摸的，這也是將重點(diǎn)放在穩(wěn)健性測(cè)試上的主要原因。

在現(xiàn)場(chǎng)操作的背景下，穩(wěn)健性是產(chǎn)品或系統(tǒng)在指定環(huán)境中按預(yù)期操作的能力的非量化指標(biāo)，通過確認(rèn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程產(chǎn)生的產(chǎn)品能夠承受比正常預(yù)期更高的壓力水平手術(shù)。幾十年來，電子行業(yè)一直采用穩(wěn)健性測(cè)試協(xié)議作為其驗(yàn)證計(jì)劃的一部分。這個(gè)概念直到最近才被更大的 LED 照明社區(qū)所接受，因?yàn)槿藗円呀?jīng)意識(shí)到基于 LED 的照明產(chǎn)品與其他類型的電子產(chǎn)品沒有太大區(qū)別，當(dāng)然，它們會(huì)產(chǎn)生光。

與使用設(shè)計(jì)原型的可靠性測(cè)試相比，穩(wěn)健性測(cè)試通常涉及使生產(chǎn)樣品經(jīng)受各種過應(yīng)力條件，使其更多地成為整體 QA 計(jì)劃的一部分。與目標(biāo)是測(cè)試失敗以了解失敗模式的可靠性測(cè)試不同，穩(wěn)健性測(cè)試的期望是所有產(chǎn)品在測(cè)試結(jié)束時(shí)都能正常運(yùn)行。

LED 照明的穩(wěn)健性測(cè)試類似于JEDEC、IEC和其他組織發(fā)布的其他類型電子設(shè)備的測(cè)試，但針對(duì) LED 產(chǎn)品的特殊特性進(jìn)行了定制。給定產(chǎn)品的具體測(cè)試協(xié)議將取決于預(yù)期的應(yīng)用，例如，室內(nèi)辦公產(chǎn)品的測(cè)試面板可能不需要包括高溫操作或振動(dòng)。下表中列出的測(cè)試代表了推薦用于 LED 照明產(chǎn)品的一些更常見的穩(wěn)健性測(cè)試。

測(cè)試樣本量(典型)持續(xù)時(shí)間(典型)描述

高溫操作30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))1000 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行：

1. 與允許的最大電流對(duì)應(yīng)的溫度

2. 對(duì)應(yīng)于允許的最高溫度的驅(qū)動(dòng)電流

低溫操作30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))1000 小時(shí)在 40 °C(典型值)的環(huán)境溫度和工作溫度允許的最大驅(qū)動(dòng)電流下連續(xù)運(yùn)行

電源循環(huán)操作30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))1000 小時(shí)在標(biāo)稱溫度和驅(qū)動(dòng)電流下開/關(guān)操作。由制造商確定的占空比

非工作溫度循環(huán)30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))500 次循環(huán)在 T min = 40 °C 和

T max = 85 °C時(shí)，典型的浸泡時(shí)間和溫度為 15 分鐘

變頻振動(dòng)30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))168 小時(shí)由制造商確定的頻率分布

高溫/高濕30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))1000 小時(shí)在 85 °C 的典型環(huán)境溫度和 85% 的典型 RH 下連續(xù)或循環(huán)運(yùn)行

腐蝕30 個(gè)(3 個(gè)，共 10 個(gè))168 小時(shí)在標(biāo)稱溫度和驅(qū)動(dòng)電流下運(yùn)行，75% RH(典型值)至鹽霧

曝光(非工作)3 個(gè)(3 個(gè)，共 1 個(gè))1000 小時(shí)透鏡和外殼材料暴露于近紫外輻射

灰塵208 小時(shí)在標(biāo)稱溫度和驅(qū)動(dòng)電流下連續(xù)運(yùn)行

表 2 LED 照明系統(tǒng)穩(wěn)健性的典型測(cè)試

一些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)最近已經(jīng)解決了 LED 照明系統(tǒng)穩(wěn)健性的主題，并且正在進(jìn)行進(jìn)一步的努力。下一次，我們將回顧現(xiàn)有和計(jì)劃中的標(biāo)準(zhǔn)，以及每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)如何解決 LED 照明系統(tǒng)的可靠性問題。