壽命和可靠性對于LED驅動器設計的重要性

1 引言

隨著日益嚴重的能源及環境問題，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注(有可能對環境造成污染)以及更大的節能潛力需求，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。據市場調研公司iSuppli預計，LED相關的全球銷售額將繼續強勁增長的格局，盡管全球經濟復蘇緩慢，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能燈的廣泛使用，消費者卻開始看到了這種產品的頻繁失效。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?設計不良產品可能會毀掉LED照明產業，設計優良的LED照明系統壽命能夠持續長達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照明的優勢將無法實現。

在設計生產中，重要的是要了解該產品的使用壽命和產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品能正常工作之后，直到該產品不適合使用之前的時間長度。可靠性是用來體現批量產品的失效率，它可用MTBF(平均無故障間隔時間)或者說失效率的倒數來表示。50 000d、時的壽命意味著這個產品能服役50 000小時。而50 000小時的MTBF意味著，對于1 000個產品，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，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，可以是一個值或一個函數;

L0——電容生產廠家提供的在規定標準條件的壽命數據;

Ts——電容生產廠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。

有了這個公式，優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。但是過度選用高規格電容器將導致使用容量更大、更昂貴的產品從而導致產品成本增加。然而設計余量不足卻可能大大損害產品的使用壽命。業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境溫度、驅動器的散熱能力和發熱量決定的。

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器中轉化成了熱量。英飛特投入了巨大研發力量改善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境的熱阻。這樣，驅動器就可以實現在45℃環境溫度下87 000d、時的壽命。這比目前市場上大多數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展。