壽命和可靠性對于LED驅動(dòng)器設計的重要性

1 引言

隨著(zhù)日益嚴重的能源及環(huán)境問(wèn)題，全球各地正在大范圍地取代傳統的白熾燈燈具。雖然有很大部分是緊湊型熒光燈，但是對節能燈的燈管汞含量的關(guān)注(有可能對環(huán)境造成污染)以及更大的節能潛力需求，使越來(lái)越多的用戶(hù)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(zhì)。據市場(chǎng)調研公司iSuppli預計，LED相關(guān)的全球銷(xiāo)售額將繼續強勁增長(cháng)的格局，盡管全球經(jīng)濟復蘇緩慢，但估計市場(chǎng)將在2013年達到約146億美元。

隨著(zhù)富含電子器件的節能燈的廣泛使用，消費者卻開(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(cháng)，并提供更好的可靠性。

問(wèn)題存在于是否LED燈所使用的電子驅動(dòng)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(huì )毀掉LED照明產(chǎn)業(yè)，設計優(yōu)良的LED照明系統壽命能夠持續長(cháng)達50 0004、時(shí)。但是，除非電子裝置部分也能變得相應壽命長(cháng)，可靠性高，否則LED照明的優(yōu)勢將無(wú)法實(shí)現。

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(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(cháng)度?？煽啃允怯脕?lái)體現批量產(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)失效率的倒數來(lái)表示。50 000d、時(shí)的壽命意味著(zhù)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(zhù)，對于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)隨機故障。這兩個(gè)概念對于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制，然后找出最短的元件壽命。對于大多數電源供應器，包括LED驅動(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(zhù)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，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——壽命計算的結果;

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

L0——電容生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的在規定標準條件的壽命數據;

Ts——電容生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的在規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(gè)公式，優(yōu)化壽命設計會(huì )變得相當簡(jiǎn)單。

第一件事就是選擇一個(gè)高品質(zhì)，長(cháng)壽命的電容。第二，工程師應努力降低流過(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)獲得足夠的設計余量。但是過(guò)度選用高規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?chē)牟僮鳝h(huán)境溫度、驅動(dòng)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(chǎng)合，對溫度的主要決定者將是驅動(dòng)器的效率和散熱。換句話(huà)說(shuō)，高效率和低熱阻設計可以顯著(zhù)提高其使用壽命。效率對溫度有著(zhù)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lO%的不同，而是對應增加了3.3倍損耗，而這些損耗都在驅動(dòng)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(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)載效率達到了92%，損耗只有13W。隨著(zhù)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驅動(dòng)器損耗效率曲線(xiàn)

由于不同設計的產(chǎn)品可以有著(zhù)明顯不同的效率，因此，驅動(dòng)器機殼內的溫度可大不相同。正如在公式(1)所體現的，一個(gè)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(zhù)從電容器到空氣的熱阻是相同的，不同效率的驅動(dòng)器必然會(huì )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(guān)系。

圖2 150W LED驅動(dòng)器壽命效率曲線(xiàn)

然而即使驅動(dòng)器具有高效率，如果沒(méi)有良好的熱傳導或對流設計，有限的功率損耗也會(huì )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(dòng)器就可以實(shí)現在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LED驅動(dòng)器更好，從而將極大地改善和促進(jìn)LED照明項目的應用和發(fā)展。