壽命和可靠性對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的重要性

1 引言

隨著日益嚴(yán)重的能源及環(huán)境問(wèn)題，全球各地正在大范圍地取代傳統(tǒng)的白熾燈燈具。雖然有很大部分是緊湊型熒光燈，但是對(duì)節(jié)能燈的燈管汞含量的關(guān)注(有可能對(duì)環(huán)境造成污染)以及更大的節(jié)能潛力需求，使越來(lái)越多的用戶(hù)轉(zhuǎn)向LED燈。最新的LED燈能耗不到的白熾燈能耗的80%，不含有毒物質(zhì)。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司iSuppli預(yù)計(jì)，LED相關(guān)的全球銷(xiāo)售額將繼續(xù)強(qiáng)勁增長(zhǎng)的格局，盡管全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇緩慢，但估計(jì)市場(chǎng)將在2013年達(dá)到約146億美元。

隨著富含電子器件的節(jié)能燈的廣泛使用，消費(fèi)者卻開(kāi)始看到了這種產(chǎn)品的頻繁失效。而LED照明的潛在壽命則會(huì)大大延長(zhǎng)，并提供更好的可靠性。

問(wèn)題存在于是否LED燈所使用的電子驅(qū)動(dòng)裝置也達(dá)到了同樣的壽命和高可靠性?設(shè)計(jì)不良產(chǎn)品可能會(huì)毀掉LED照明產(chǎn)業(yè)，設(shè)計(jì)優(yōu)良的LED照明系統(tǒng)壽命能夠持續(xù)長(zhǎng)達(dá)50 0004、時(shí)。但是，除非電子裝置部分也能變得相應(yīng)壽命長(zhǎng)，可靠性高，否則LED照明的優(yōu)勢(shì)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，重要的是要了解該產(chǎn)品的使用壽命和產(chǎn)品的可靠性是兩個(gè)非常不同的概念，雖然不無(wú)關(guān)系，但它們往往是被混淆。壽命是指用戶(hù)可以期望單一產(chǎn)品能正常工作之后，直到該產(chǎn)品不適合使用之前的時(shí)間長(zhǎng)度?？煽啃允怯脕?lái)體現(xiàn)批量產(chǎn)品的失效率，它可用MTBF(平均無(wú)故障間隔時(shí)間)或者說(shuō)失效率的倒數(shù)來(lái)表示。50 000d、時(shí)的壽命意味著這個(gè)產(chǎn)品能服役50 000小時(shí)。而50 000小時(shí)的MTBF意味著，對(duì)于1 000個(gè)產(chǎn)品，每隔50小時(shí)，從概率的角度來(lái)考量，理論上人們會(huì)看到一個(gè)隨機(jī)故障。這兩個(gè)概念對(duì)于LED照明的成功實(shí)施是非常重要的。

2 壽命

估算任何產(chǎn)品的壽命，主要是確定所有電子元件的磨損機(jī)制，然后找出最短的元件壽命。對(duì)于大多數(shù)電源供應(yīng)器，包括LED驅(qū)動(dòng)器，壽命最短的元器件會(huì)是電解電容。電容中的電解液會(huì)隨著工作溫度及工作時(shí)間不同程度的揮發(fā)，而電容紋波電流也會(huì)影響壽命。雖然電解電容可能各有不同，不同廠(chǎng)家或不同的元件型號(hào)，但一個(gè)典型的電解電容器的壽命一般可以采用以下公式來(lái)表示：

式中：

Lx——壽命計(jì)算的結(jié)果;

k——由電容的RMS紋波電流和工作電壓決定的系數(shù)，可以是一個(gè)值或一個(gè)函數(shù);

L0——電容生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件的壽命數(shù)據(jù);

Ts——電容生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件的電容器表面溫度;

Ta——目標(biāo)工作情況下電容器表面溫度。

有了這個(gè)公式，優(yōu)化壽命設(shè)計(jì)會(huì)變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。

第一件事就是選擇一個(gè)高品質(zhì)，長(zhǎng)壽命的電容。第二，工程師應(yīng)努力降低流過(guò)電容的RMS紋波電流，以及工作電壓。所以選擇電容器需要減少紋波電流和電壓來(lái)獲得足夠的設(shè)計(jì)余量。但是過(guò)度選用高規(guī)格電容器將導(dǎo)致使用容量更大、更昂貴的產(chǎn)品從而導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加。然而設(shè)計(jì)余量不足卻可能大大損害產(chǎn)品的使用壽命。業(yè)界認(rèn)為最有效的方法是降低電容器的表面溫度。電容的表面溫度是由周?chē)牟僮鳝h(huán)境溫度、驅(qū)動(dòng)器的散熱能力和發(fā)熱量決定的。

對(duì)于特定已有的設(shè)計(jì)和應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)溫度的主要決定者將是驅(qū)動(dòng)器的效率和散熱。換句話(huà)說(shuō)，高效率和低熱阻設(shè)計(jì)可以顯著提高其使用壽命。效率對(duì)溫度有著比很多人想象中更大的影響。例如，從95%至85%的效率并不是說(shuō)損耗額只會(huì)有l(wèi)O%的不同，而是對(duì)應(yīng)增加了3.3倍損耗，而這些損耗都在驅(qū)動(dòng)器中轉(zhuǎn)化成了熱量。英飛特投入了巨大研發(fā)力量改善LED驅(qū)動(dòng)器的效率。以流行的EUC一150S(150W的恒定電流輸出)系列來(lái)說(shuō)，220V交流滿(mǎn)載效率達(dá)到了92%，損耗只有13W。隨著輸出功率越來(lái)越高，只有1%的效率差異可以看到完全不同的功率損耗。圖1顯示了效率和損耗之間的關(guān)系。

圖1 150W LED驅(qū)動(dòng)器損耗效率曲線(xiàn)

由于不同設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以有著明顯不同的效率，因此，驅(qū)動(dòng)器機(jī)殼內(nèi)的溫度可大不相同。正如在公式(1)所體現(xiàn)的，一個(gè)10℃溫差下可以相差一倍的壽命。即使假定的熱設(shè)計(jì)是一樣的，這意味著從電容器到空氣的熱阻是相同的，不同效率的驅(qū)動(dòng)器必然會(huì)導(dǎo)致不同的電容器溫度，因此導(dǎo)致非常不同的壽命。仍用150W的產(chǎn)品作為例子在圖2中顯示了效率與壽命關(guān)系。

圖2 150W LED驅(qū)動(dòng)器壽命效率曲線(xiàn)

然而即使驅(qū)動(dòng)器具有高效率，如果沒(méi)有良好的熱傳導(dǎo)或?qū)α髟O(shè)計(jì)，有限的功率損耗也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電子原件的高溫。利用良好的導(dǎo)熱灌膠材料和表面堅(jiān)固的鋁合金外殼，可大大減少?gòu)碾娮釉江h(huán)境的熱阻。這樣，驅(qū)動(dòng)器就可以實(shí)現(xiàn)在45℃環(huán)境溫度下87 000d、時(shí)的壽命。這比目前市場(chǎng)上大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器更好，從而將極大地改善和促進(jìn)LED照明項(xiàng)目的應(yīng)用和發(fā)展。[!--empirenews.page--]

3 可靠性

可靠性是與額定使用壽命期內(nèi)在其額定條件下運(yùn)行的產(chǎn)品故障率相關(guān)的一個(gè)概念。通常表達(dá)可靠性的方法是MTBF，即產(chǎn)品的平均無(wú)故障時(shí)間。盡管可靠性和壽命都常常以小時(shí)來(lái)計(jì)算，但仍然是相當(dāng)不同的概念。公式(2)表明了平均無(wú)故障間隔時(shí)間的計(jì)算方法，是總運(yùn)行時(shí)間除以產(chǎn)品失效的次數(shù)。

舉一個(gè)例子，一個(gè)1 000個(gè)產(chǎn)品的樣本群體每天產(chǎn)生24 000小時(shí)的時(shí)間總和。如果這個(gè)群體在1個(gè)月的工作中有4個(gè)故障，則這個(gè)產(chǎn)品的MTBF為(1 000單位×24小時(shí)/天×30天)/4，即180 000小時(shí)。再提供另外一個(gè)例子，如果產(chǎn)品的MTBF為300 000小時(shí)，這些產(chǎn)品很可能在1 000個(gè)同時(shí)工作時(shí)，平均每過(guò)300小時(shí)，會(huì)有一個(gè)失效。這些產(chǎn)品個(gè)數(shù)為10 000，則可以預(yù)見(jiàn)平均每30小時(shí)會(huì)有一個(gè)失效。必須明確，具有300 000小時(shí)MTBF的產(chǎn)品并不意味著任何特定的產(chǎn)品將可望有30萬(wàn)小時(shí)的壽命。還有另一種方式來(lái)理解可靠性，是看它的失效率。公式(3)表明，失效率僅僅是對(duì)MTBF的倒數(shù)。

當(dāng)確定一個(gè)產(chǎn)品的壽命時(shí)，只是要找出其最短的組成部分，并計(jì)算其壽命。然而，當(dāng)確定一個(gè)產(chǎn)品的可靠性時(shí)，是需要了解每個(gè)組件的故障率，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效，并期待合并的失效率。

前人已經(jīng)用大量的時(shí)間花在了對(duì)電子設(shè)備的可靠性的評(píng)估研究上。這些方法中最常見(jiàn)的是軍用設(shè)備普遍采用的MIL—HDBK一217，它被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的可靠性預(yù)測(cè)方法，也是英飛特驅(qū)動(dòng)電源所使用的可靠性預(yù)測(cè)方法。另一種比較常見(jiàn)的方法是Telecordia可靠性預(yù)測(cè)模型。通常情況下，軍用設(shè)備的評(píng)估結(jié)果比會(huì)第二種的Telecordia商業(yè)方法保守即壽命值有所減少。這兩種方法被稱(chēng)為“計(jì)算”出來(lái)的可靠性，而不是真正通過(guò)運(yùn)行大量個(gè)體的實(shí)驗(yàn)來(lái)得出的，事實(shí)上通過(guò)后者也很難得出MTBF的值。MTBF之所以被用來(lái)衡量一個(gè)產(chǎn)品的可靠性，其實(shí)是因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)使得用同樣的方法在同樣條件下進(jìn)行有效的比較成為了可能。

其實(shí)驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)商面臨的挑戰(zhàn)主要是在一定的規(guī)模和成本的限制條件下如何生產(chǎn)出最可靠的產(chǎn)品。

在可靠性設(shè)計(jì)中有幾項(xiàng)關(guān)鍵因素。首先是設(shè)計(jì)的主功率級(jí)拓?fù)涞倪x擇。一個(gè)半導(dǎo)體元件的可靠性通常是由工作結(jié)溫決定。像零電流軟開(kāi)關(guān)的反激和LLC半橋拓?fù)淇梢杂脕?lái)最大限度地減少功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了半導(dǎo)體和整個(gè)驅(qū)動(dòng)的效率，并降低了溫度。二是考慮選用優(yōu)質(zhì)組件，并且為元器件保證適當(dāng)?shù)膽?yīng)力余量。例如，為高壓電解電容設(shè)計(jì)20%的工作電壓余量，為半導(dǎo)體元件設(shè)計(jì)10%的尖峰電壓余量以確保一個(gè)可靠的設(shè)計(jì)。三，保護(hù)電路可以使得產(chǎn)品在極端條件下得以生存，這包括各種異常過(guò)電流，短路，過(guò)/欠壓或者過(guò)熱。另外，需要用浪涌抑制電路來(lái)防止雷擊損壞。第四點(diǎn)，如前所述，我們又回到了效率和熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于溫度會(huì)對(duì)MOSFET，集成電路和光電耦合器等半導(dǎo)體可靠性產(chǎn)生直接和重大的影響，使得我們不得不把驅(qū)動(dòng)器的效率再一次放到重要的位置上。圖3顯示了效率如何影響150W的產(chǎn)品平均無(wú)故障時(shí)間。

圖3 150W LED驅(qū)動(dòng)器MTBF效率曲線(xiàn)

關(guān)于可靠性的最后一個(gè)重要問(wèn)題是消除產(chǎn)品完成初期的高失效率期。產(chǎn)品的可靠性的概念只有在產(chǎn)品的使用壽命期間有效。而事實(shí)上產(chǎn)品本身的壽命還包括了生產(chǎn)完工到出廠(chǎng)的這段時(shí)間。但對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，使用壽命就是出廠(chǎng)后才開(kāi)始的。圖4所示是眾所周知的“浴缸”(bathtub)曲線(xiàn)。在這個(gè)圖的y軸是該產(chǎn)品的失效率，x軸則是時(shí)間。大多數(shù)國(guó)外廠(chǎng)商將剛生產(chǎn)完成開(kāi)始的高失效率時(shí)間段稱(chēng)為infant mortality，然后進(jìn)入該產(chǎn)品的使用壽命，即曲線(xiàn)的平坦底部。最后，因該產(chǎn)品達(dá)到其額定壽命，失效率開(kāi)始上升。對(duì)生產(chǎn)商的挑戰(zhàn)是要確保這些產(chǎn)品在離開(kāi)工廠(chǎng)前就渡過(guò)了高失效期。為了做到這一點(diǎn)，英飛特對(duì)所有產(chǎn)品采用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾p重老化。

每一件產(chǎn)品在灌膠之前進(jìn)行1至2小時(shí)的老化試驗(yàn)。

然后，在最后的灌膠組裝后，所有產(chǎn)品均在高負(fù)荷和高溫下運(yùn)行從4至12小時(shí)不等的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由這個(gè)產(chǎn)品在老化過(guò)程中的失效率來(lái)決定。

圖4 “浴盆”曲線(xiàn)

4 結(jié)論

理解壽命和可靠性對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。壽命和可靠性對(duì)于LED照明這樣的需要用長(zhǎng)期不問(wèn)斷工作來(lái)取得回報(bào)的項(xiàng)目顯得更加迫切。電源長(zhǎng)壽命使得燈的使用成本更低，而高可靠性使得LED燈的維修成本更低，這形成了對(duì)投資回報(bào)的良性循環(huán)。要做到這些必須考慮的因素有很多，但在本文中可以看到效率作為一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，從某種程度上進(jìn)一步闡述了LED驅(qū)動(dòng)電源的重要性。LED驅(qū)動(dòng)電源怎樣滿(mǎn)足今天的照明工程的要求，還需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行深入研究和分析，以確保長(zhǎng)期使用和節(jié)約能源的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。