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壽命和可靠性對于LED驅(qū)動器設(shè)計的重要性

作者: 時間:2013-06-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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)的一個概念。通常表達(dá)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(dāng)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(yùn)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(yù)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致產(chǎn)品失效,并期待合并的失效率。

前人已經(jīng)用大量的時間花在了對電子設(shè)備的可靠性的評估研究上。這些方法中最常見的是軍用設(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)測方法,也是英飛特驅(qū)動電源所使用的可靠性預(yù)測方法。另一種比較常見的方法是Telecordia可靠性預(yù)測模型。通常情況下,軍用設(shè)備的評估結(jié)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(yùn)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(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)計中有幾項關(guān)鍵因素。首先是設(shè)計的主功率級拓?fù)涞倪x擇。一個半導(dǎo)體元件的可靠性通常是由工作結(jié)溫決定。像零電流軟開關(guān)的反激和LLC半橋拓?fù)淇梢杂脕碜畲笙薅鹊販p少功率半導(dǎo)體的開關(guān)損耗,從而提高了半導(dǎo)體和整個驅(qū)動的效率,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20%的工作電壓余量,為半導(dǎo)體元件設(shè)計10%的尖峰電壓余量以確保一個可靠的設(shè)計。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(shè)計問題。由于溫度會對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。

150W LED驅(qū)動器MTBF效率曲線

圖3 150W LEDMTBF效率曲線

關(guān)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(jìn)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(dá)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(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(fù)荷和高溫下運(yùn)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。

“浴盆”曲線

圖4 “浴盆”曲線

4 結(jié)論

理解壽命和可靠性對于LED驅(qū)動器設(shè)計是至關(guān)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(guān)鍵指標(biāo),從某種程度上進(jìn)一步闡述了LED驅(qū)動電源的重要性。LED驅(qū)動電源怎樣滿足今天的照明工程的要求,還需要花費(fèi)大量的時間進(jìn)行深入研究和分析,以確保長期使用和節(jié)約能源的目標(biāo)得以實現(xiàn)。


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