1 引言

隨著日益嚴重的能源及環(huán)境問題，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，但是對節(jié)能燈的燈管汞含量的關注(有可能對環(huán)境造成污染)以及更大的節(jié)能潛力需求，使越來越多的用戶轉向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。據(jù)市場調研公司iSuppli預計，LED相關的全球銷售額將繼續(xù)強勁增長的格局，盡管全球經(jīng)濟復蘇緩慢，但估計市場將在2013年達到約146億美元。

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

問題存在于是否LED燈所使用的電子驅動裝置也達到了同樣的壽命和高可靠性?設計不良產(chǎn)品可能會毀掉LED照明產(chǎn)業(yè)，設計優(yōu)良的LED照明系統(tǒng)壽命能夠持續(xù)長達50 0004、時。但是，除非電子裝置部分也能變得相應壽命長，可靠性高，否則LED照明的優(yōu)勢將無法實現(xiàn)。

在設計生產(chǎn)中，重要的是要了解該產(chǎn)品的使用壽命和產(chǎn)品的可靠性是兩個非常不同的概念，雖然不無關系，但它們往往是被混淆。壽命是指用戶可以期望單一產(chǎn)品能正常工作之后，直到該產(chǎn)品不適合使用之前的時間長度?？煽啃允怯脕眢w現(xiàn)批量產(chǎn)品的失效率，它可用MTBF(平均無故障間隔時間)或者說失效率的倒數(shù)來表示。50 000d、時的壽命意味著這個產(chǎn)品能服役50 000小時。而50 000小時的MTBF意味著，對于1 000個產(chǎn)品，每隔50小時，從概率的角度來考量，理論上人們會看到一個隨機故障。這兩個概念對于LED照明的成功實施是非常重要的。

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制，然后找出最短的元件壽命。對于大多數(shù)電源供應器，包括LED驅動器，壽命最短的元器件會是電解電容。電容中的電解液會隨著工作溫度及工作時間不同程度的揮發(fā)，而電容紋波電流也會影響壽命。雖然電解電容可能各有不同，不同廠家或不同的元件型號，但一個典型的電解電容器的壽命一般可以采用以下公式來表示：

式中：

Lx——壽命計算的結果;

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

L0——電容生產(chǎn)廠家提供的在規(guī)定標準條件的壽命數(shù)據(jù);

Ts——電容生產(chǎn)廠家提供的在規(guī)定標準條件的電容器表面溫度;

Ta——目標工作情況下電容器表面溫度。

有了這個公式，優(yōu)化壽命設計會變得相當簡單。

第一件事就是選擇一個高品質，長壽命的電容。第二，工程師應努力降低流過電容的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獲得足夠的設計余量。但是過度選用高規(guī)格電容器將導致使用容量更大、更昂貴的產(chǎn)品從而導致產(chǎn)品成本增加。然而設計余量不足卻可能大大損害產(chǎn)品的使用壽命。業(yè)界認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圍的操作環(huán)境溫度、驅動器的散熱能力和發(fā)熱量決定的。

對于特定已有的設計和應用場合，對溫度的主要決定者將是驅動器的效率和散熱。換句話說，高效率和低熱阻設計可以顯著提高其使用壽命。效率對溫度有著比很多人想象中更大的影響。例如，從95%至85%的效率并不是說損耗額只會有l(wèi)O%的不同，而是對應增加了3.3倍損耗，而這些損耗都在驅動器中轉化成了熱量。英飛特投入了巨大研發(fā)力量改善LED驅動器的效率。以流行的EUC一150S(150W的恒定電流輸出)系列來說，220V交流滿載效率達到了92%，損耗只有13W。隨著輸出功率越來越高，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系。

圖1 150W LED驅動器損耗效率曲線

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

圖2 150W LED驅動器壽命效率曲線

然而即使驅動器具有高效率，如果沒有良好的熱傳導或對流設計，有限的功率損耗也會導致內部電子原件的高溫。利用良好的導熱灌膠材料和表面堅固的鋁合金外殼，可大大減少從電子原件到環(huán)境的熱阻。這樣，驅動器就可以實現(xiàn)在45℃環(huán)境溫度下87 000d、時的壽命。這比目前市場上大多數(shù)LED驅動器更好，從而將極大地改善和促進LED照明項目的應用和發(fā)展。[!--empirenews.page--]

3 可靠性

可靠性是與額定使用壽命期內在其額定條件下運行的產(chǎn)品故障率相關的一個概念。通常表達可靠性的方法是MTBF，即產(chǎn)品的平均無故障時間。盡管可靠性和壽命都常常以小時來計算，但仍然是相當不同的概念。公式(2)表明了平均無故障間隔時間的計算方法，是總運行時間除以產(chǎn)品失效的次數(shù)。

舉一個例子，一個1 000個產(chǎn)品的樣本群體每天產(chǎn)生24 000小時的時間總和。如果這個群體在1個月的工作中有4個故障，則這個產(chǎn)品的MTBF為(1 000單位×24小時/天×30天)/4，即180 000小時。再提供另外一個例子，如果產(chǎn)品的MTBF為300 000小時，這些產(chǎn)品很可能在1 000個同時工作時，平均每過300小時，會有一個失效。這些產(chǎn)品個數(shù)為10 000，則可以預見平均每30小時會有一個失效。必須明確，具有300 000小時MTBF的產(chǎn)品并不意味著任何特定的產(chǎn)品將可望有30萬小時的壽命。還有另一種方式來理解可靠性，是看它的失效率。公式(3)表明，失效率僅僅是對MTBF的倒數(shù)。

當確定一個產(chǎn)品的壽命時，只是要找出其最短的組成部分，并計算其壽命。然而，當確定一個產(chǎn)品的可靠性時，是需要了解每個組件的故障率，可能會導致產(chǎn)品失效，并期待合并的失效率。

前人已經(jīng)用大量的時間花在了對電子設備的可靠性的評估研究上。這些方法中最常見的是軍用設備普遍采用的MIL—HDBK一217，它被認為是標準的可靠性預測方法，也是英飛特驅動電源所使用的可靠性預測方法。另一種比較常見的方法是Telecordia可靠性預測模型。通常情況下，軍用設備的評估結果比會第二種的Telecordia商業(yè)方法保守即壽命值有所減少。這兩種方法被稱為“計算”出來的可靠性，而不是真正通過運行大量個體的實驗來得出的，事實上通過后者也很難得出MTBF的值。MTBF之所以被用來衡量一個產(chǎn)品的可靠性，其實是因為這些標準使得用同樣的方法在同樣條件下進行有效的比較成為了可能。

其實驅動器生產(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。

在可靠性設計中有幾項關鍵因素。首先是設計的主功率級拓撲的選擇。一個半導體元件的可靠性通常是由工作結溫決定。像零電流軟開關的反激和LLC半橋拓撲可以用來最大限度地減少功率半導體的開關損耗，從而提高了半導體和整個驅動的效率，并降低了溫度。二是考慮選用優(yōu)質組件，并且為元器件保證適當?shù)膽τ嗔俊＠?，為高壓電解電容設計20%的工作電壓余量，為半導體元件設計10%的尖峰電壓余量以確保一個可靠的設計。三，保護電路可以使得產(chǎn)品在極端條件下得以生存，這包括各種異常過電流，短路，過/欠壓或者過熱。另外，需要用浪涌抑制電路來防止雷擊損壞。第四點，如前所述，我們又回到了效率和熱設計問題。由于溫度會對MOSFET，集成電路和光電耦合器等半導體可靠性產(chǎn)生直接和重大的影響，使得我們不得不把驅動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)品平均無故障時間。

圖3 150W LED驅動器MTBF效率曲線

關于可靠性的最后一個重要問題是消除產(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。而事實上產(chǎn)品本身的壽命還包括了生產(chǎn)完工到出廠的這段時間。但對于使用者來說，使用壽命就是出廠后才開始的。圖4所示是眾所周知的“浴缸”(bathtub)曲線。在這個圖的y軸是該產(chǎn)品的失效率，x軸則是時間。大多數(shù)國外廠商將剛生產(chǎn)完成開始的高失效率時間段稱為infant mortality，然后進入該產(chǎn)品的使用壽命，即曲線的平坦底部。最后，因該產(chǎn)品達到其額定壽命，失效率開始上升。對生產(chǎn)商的挑戰(zhàn)是要確保這些產(chǎn)品在離開工廠前就渡過了高失效期。為了做到這一點，英飛特對所有產(chǎn)品采用了嚴謹?shù)碾p重老化。

每一件產(chǎn)品在灌膠之前進行1至2小時的老化試驗。

然后，在最后的灌膠組裝后，所有產(chǎn)品均在高負荷和高溫下運行從4至12小時不等的時間，這個時間由這個產(chǎn)品在老化過程中的失效率來決定。

圖4 “浴盆”曲線

4 結論

理解壽命和可靠性對于LED驅動器設計是至關重要的。壽命和可靠性對于LED照明這樣的需要用長期不問斷工作來取得回報的項目顯得更加迫切。電源長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，這形成了對投資回報的良性循環(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關鍵指標，從某種程度上進一步闡述了LED驅動電源的重要性。LED驅動電源怎樣滿足今天的照明工程的要求，還需要花費大量的時間進行深入研究和分析，以確保長期使用和節(jié)約能源的目標得以實現(xiàn)。