壽命和可靠性對于LED驅動器設計的重要性

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品失效的次數。

舉一個例子，一個1 000個產品的樣本群體每天產生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，如果產品的MTBF為300 000小時，這些產品很可能在1 000個同時工作時，平均每過300小時，會有一個失效。這些產品個數為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的產品并不意味著任何特定的產品將可望有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。

當確定一個產品的壽命時，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，可能會導致產品失效，并期待合并的失效率。

前人已經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出最可靠的產品。

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。二是考慮選用優質組件，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可靠的設計。三，保護電路可以使得產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品完成初期的高失效率期。產品的可靠性的概念只有在產品的使用壽命期間有效。而事實上產品本身的壽命還包括了生產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軸是該產品的失效率，x軸則是時間。大多數國外廠商將剛生產完成開始的高失效率時間段稱為infant mortality，然后進入該產品的使用壽命，即曲線的平坦底部。最后，因該產品達到其額定壽命，失效率開始上升。對生產商的挑戰是要確保這些產品在離開工廠前就渡過了高失效期。為了做到這一點，英飛特對所有產品采用了嚴謹的雙重老化。

每一件產品在灌膠之前進行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。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約能源的目標得以實現。