壽命和可靠性對于LED驅動(dòng)器設計的重要性

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(guān)的一個(gè)概念。通常表達可靠性的方法是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)計算，但仍然是相當不同的概念。公式(2)表明了平均無(wú)故障間隔時(shí)間的計算方法，是總運行時(shí)間除以產(chǎn)品失效的次數。

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)數為10 000，則可以預見(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(zhù)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MTBF的倒數。

當確定一個(gè)產(chǎn)品的壽命時(shí)，只是要找出其最短的組成部分，并計算其壽命。然而，當確定一個(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)間花在了對電子設備的可靠性的評估研究上。這些方法中最常見(jiàn)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(dòng)電源所使用的可靠性預測方法。另一種比較常見(jiàn)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(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“計算”出來(lái)的可靠性，而不是真正通過(guò)運行大量個(gè)體的實(shí)驗來(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)是因為這些標準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)驅動(dòng)器生產(chǎn)商面臨的挑戰主要是在一定的規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(guān)鍵因素。首先是設計的主功率級拓撲的選擇。一個(gè)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(kāi)關(guān)的反激和LLC半橋拓撲可以用來(lái)最大限度地減少功率半導體的開(kāi)關(guān)損耗，從而提高了半導體和整個(gè)驅動(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的應力余量。例如，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(gè)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(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計問(wèn)題。由于溫度會(huì )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(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。大多數國外廠(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)品達到其額定壽命，失效率開(kāi)始上升。對生產(chǎn)商的挑戰是要確保這些產(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)，英飛特對所有產(chǎn)品采用了嚴謹的雙重老化。

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。

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(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 結論

理解壽命和可靠性對于LED驅動(dòng)器設計是至關(guān)重要的。壽命和可靠性對于LED照明這樣的需要用長(cháng)期不問(wèn)斷工作來(lái)取得回報的項目顯得更加迫切。電源長(cháng)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(gè)關(guān)鍵指標，從某種程度上進(jìn)一步闡述了LED驅動(dòng)電源的重要性。LED驅動(dòng)電源怎樣滿(mǎn)足今天的照明工程的要求，還需要花費大量的時(shí)間進(jìn)行深入研究和分析，以確保長(cháng)期使用和節約能源的目標得以實(shí)現。