寿命和可靠性对于LED驱动器设计的重要性

1 引言

随着日益严重的能源及环境问题，全球各地正在大范围地取代传统的白炽灯灯具。虽然有很大部分是紧凑型荧光灯，但是对节能灯的灯管汞含量的关注(有可能对环境造成污染)以及更大的节能潜力需求，使越来越多的用户转向LED灯。最新的LED灯能耗不到的白炽灯能耗的80%，不含有毒物质。据市场调研公司iSuppli预计，LED相关的全球销售额将继续强劲增长的格局，尽管全球经济复苏缓慢，但估计市场将在2013年达到约146亿美元。

随着富含电子器件的节能灯的广泛使用，消费者却开始看到了这种产品的频繁失效。而LED照明的潜在寿命则会大大延长，并提供更好的可靠性。

问题存在于是否LED灯所使用的电子驱动装置也达到了同样的寿命和高可靠性 设计不良产品可能会毁掉LED照明产业，设计优良的LED照明系统寿命能够持续长达50 0004、时。但是，除非电子装置部分也能变得相应寿命长，可靠性高，否则LED照明的优势将无法实现。

在设计生产中，重要的是要了解该产品的使用寿命和产品的可靠性是两个非常不同的概念，虽然不无关系，但它们往往是被混淆。寿命是指用户可以期望单一产品能正常工作之后，直到该产品不适合使用之前的时间长度。可靠性是用来体现批量产品的失效率，它可用MTBF(平均无故障间隔时间)或者说失效率的倒数来表示。50 000d、时的寿命意味着这个产品能服役50 000小时。而50 000小时的MTBF意味着，对于1 000个产品，每隔50小时，从概率的角度来考量，理论上人们会看到一个随机故障。这两个概念对于LED照明的成功实施是非常重要的。

2 寿命

估算任何产品的寿命，主要是确定所有电子元件的磨损机制，然后找出最短的元件寿命。对于大多数电源供应器，包括LED驱动器，寿命最短的元器件会是电解电容。电容中的电解液会随着工作温度及工作时间不同程度的挥发，而电容纹波电流也会影响寿命。虽然电解电容可能各有不同，不同厂家或不同的元件型号，但一个典型的电解电容器的寿命一般可以采用以下公式来表示：

式中：

Lx——寿命计算的结果;

k——由电容的RMS纹波电流和工作电压决定的系数，可以是一个值或一个函数;

L0——电容生产厂家提供的在规定标准条件的寿命数据;

Ts——电容生产厂家提供的在规定标准条件的电容器表面温度;

Ta——目标工作情况下电容器表面温度。

有了这个公式，优化寿命设计会变得相当简单。

第一件事就是选择一个高品质，长寿命的电容。第二，工程师应努力降低流过电容的RMS纹波电流，以及工作电压。所以选择电容器需要减少纹波电流和电压来获得足够的设计余量。但是过度选用高规格电容器将导致使用容量更大、更昂贵的产品从而导致产品成本增加。然而设计余量不足却可能大大损害产品的使用寿命。业界认为最有效的方法是降低电容器的表面温度。电容的表面温度是由周围的操作环境温度、驱动器的散热能力和发热量决定的。

对于特定已有的设计和应用场合，对温度的主要决定者将是驱动器的效率和散热。换句话说，高效率和低热阻设计可以显着提高其使用寿命。效率对温度有着比很多人想象中更大的影响。例如，从95%至85%的效率并不是说损耗额只会有lO%的不同，而是对应增加了3.3倍损耗，而这些损耗都在驱动器中转化成了热量。英飞特投入了巨大研发力量改善LED驱动器的效率。以流行的EUC一150S(150W的恒定电流输出)系列来说，220V交流满载效率达到了92%，损耗只有13W。随着输出功率越来越高，只有1%的效率差异可以看到完全不同的功率损耗。图1显示了效率和损耗之间的关系。

图1 150W LED驱动器损耗效率曲线

由于不同设计的产品可以有着明显不同的效率，因此，驱动器机壳内的温度可大不相同。正如在公式(1)所体现的，一个10℃温差下可以相差一倍的寿命。即使假定的热设计是一样的，这意味着从电容器到空气的热阻是相同的，不同效率的驱动器必然会导致不同的电容器温度，因此导致非常不同的寿命。仍用150W的产品作为例子在图2中显示了效率与寿命关系。

图2 150W LED驱动器寿命效率曲线

然而即使驱动器具有高效率，如果没有良好的热传导或对流设计，有限的功率损耗也会导致内部电子原件的高温。利用良好的导热灌胶材料和表面坚固的铝合金外壳，可大大减少从电子原件到环境的热阻。这样，驱动器就可以实现在45℃环境温度下87 000d、时的寿命。这比目前市场上大多数LED驱动器更好，从而将极大地改善和促进LED照明项目的应用和发展。[p]

3 可靠性

可靠性是与额定使用寿命期内在其额定条件下运行的产品故障率相关的一个概念。通常表达可靠性的方法是MTBF，即产品的平均无故障时间。尽管可靠性和寿命都常常以小时来计算，但仍然是相当不同的概念。公式(2)表明了平均无故障间隔时间的计算方法，是总运行时间除以产品失效的次数。

举一个例子，一个1 000个产品的样本群体每天产生24 000小时的时间总和。如果这个群体在1个月的工作中有4个故障，则这个产品的MTBF为(1 000单位×24小时/天×30天)/4，即180 000小时。再提供另外一个例子，如果产品的MTBF为300 000小时，这些产品很可能在1 000个同时工作时，平均每过300小时，会有一个失效。这些产品个数为10 000，则可以预见平均每30小时会有一个失效。必须明确，具有300 000小时MTBF的产品并不意味着任何特定的产品将可望有30万小时的寿命。还有另一种方式来理解可靠性，是看它的失效率。公式(3)表明，失效率仅仅是对MTBF的倒数。

当确定一个产品的寿命时，只是要找出其最短的组成部分，并计算其寿命。然而，当确定一个产品的可靠性时，是需要了解每个组件的故障率，可能会导致产品失效，并期待合并的失效率。

前人已经用大量的时间花在了对电子设备的可靠性的评估研究上。这些方法中最常见的是军用设备普遍采用的MIL—HDBK一217，它被认为是标准的可靠性预测方法，也是英飞特驱动电源所使用的可靠性预测方法。另一种比较常见的方法是Telecordia可靠性预测模型。通常情况下，军用设备的评估结果比会第二种的Telecordia商业方法保守即寿命值有所减少。这两种方法被称为“计算”出来的可靠性，而不是真正通过运行大量个体的实验来得出的，事实上通过后者也很难得出MTBF的值。MTBF之所以被用来衡量一个产品的可靠性，其实是因为这些标准使得用同样的方法在同样条件下进行有效的比较成为了可能。

其实驱动器生产商面临的挑战主要是在一定的规模和成本的限制条件下如何生产出最可靠的产品。

在可靠性设计中有几项关键因素。首先是设计的主功率级拓扑的选择。一个半导体元件的可靠性通常是由工作结温决定。像零电流软开关的反激和LLC半桥拓扑可以用来最大限度地减少功率半导体的开关损耗，从而提高了半导体和整个驱动的效率，并降低了温度。二是考虑选用优质组件，并且为元器件保证适当的应力余量。例如，为高压电解电容设计20%的工作电压余量，为半导体元件设计10%的尖峰电压余量以确保一个可靠的设计。三，保护电路可以使得产品在极端条件下得以生存，这包括各种异常过电流，短路，过/欠压或者过热。另外，需要用浪涌抑制电路来防止雷击损坏。第四点，如前所述，我们又回到了效率和热设计问题。由于温度会对MOSFET，集成电路和光电耦合器等半导体可靠性产生直接和重大的影响，使得我们不得不把驱动器的效率再一次放到重要的位置上。图3显示了效率如何影响150W的产品平均无故障时间。

图3 150W LED驱动器MTBF效率曲线

关于可靠性的最后一个重要问题是消除产品完成初期的高失效率期。产品的可靠性的概念只有在产品的使用寿命期间有效。而事实上产品本身的寿命还包括了生产完工到出厂的这段时间。但对于使用者来说，使用寿命就是出厂后才开始的。图4所示是众所周知的“浴缸”(bathtub)曲线。在这个图的y轴是该产品的失效率，x轴则是时间。大多数国外厂商将刚生产完成开始的高失效率时间段称为infant mortality，然后进入该产品的使用寿命，即曲线的平坦底部。最后，因该产品达到其额定寿命，失效率开始上升。对生产商的挑战是要确保这些产品在离开工厂前就渡过了高失效期。为了做到这一点，英飞特对所有产品采用了严谨的双重老化。

每一件产品在灌胶之前进行1至2小时的老化试验。

然后，在最后的灌胶组装后，所有产品均在高负荷和高温下运行从4至12小时不等的时间，这个时间由这个产品在老化过程中的失效率来决定。

图4 “浴盆”曲线

4 结论

理解寿命和可靠性对于LED驱动器设计是至关重要的。寿命和可靠性对于LED照明这样的需要用长期不问断工作来取得回报的项目显得更加迫切。电源长寿命使得灯的使用成本更低，而高可靠性使得LED灯的维修成本更低，这形成了对投资回报的良性循环。要做到这些必须考虑的因素有很多，但在本文中可以看到效率作为一个关键指标，从某种程度上进一步阐述了LED驱动电源的重要性。LED驱动电源怎样满足今天的照明工程的要求，还需要花费大量的时间进行深入研究和分析，以确保长期使用和节约能源的目标得以实现。