LED驱动电源加速老化测试系统设计与动、静态特性分析

发布时间：2016-12-09 15:11

第 1 章  绪论 

1.1 问题的提出与研究意义
伴随着能源短缺成为当今人类社会所面临的重要问题，能源的节约使用逐渐为社会所重视。能源节约中的一个重要课题就是电能的合理利用，由于照明用电占全世界电力消耗的比重很大，因而这一部分用电量的节约将带来巨大的收益。众所周知，当今中国早已将节能和环保作为实现社会可持续发展的前提和保障，并且得到了相当的重视。世界范围内，照明用电约占总用电量的 19%，而中国照明用电约占全国总用量 12%，可以看出，使用高效节能的新型照明产品代替传统灯具在节能环保方面的潜力巨大。随着社会的快速发展，照明领域的电力消耗越来越大，寻找新一代节能环保的光源迫在眉睫。 LED 照明产品的潜力早已为人们看重，其高光效、高可靠性和较高的能源利用率是代替传统照明产品的最佳选择。近些年来，LED 产品在灯具方面的应用，增长巨大[1]。相比传统光源，LED 具有可靠性高、体积小、能耗小和无污染等特点，它一经问世就引起了照明产业的革命，很快成为了新一代节能光源。各国政府与照明界更是将其作为了一个全新的经济增长点，因而 LED 产业得到了迅猛的发展。LED 照明产品的出现不但带动了照明产业的升级，为照明产业开拓了新的领域，更实现了节能和环保两大目标。 LED 驱动电路作为 LED 照明产品的重要组成部分，其可靠性并没有得到广泛的重视。市面上各大生产厂家生产的 LED 灯具的使用寿命都是采用发光部分的使用寿命作为整体灯具的使用寿命。而实际上，对 LED 灯具的整体寿命和可靠性的预测与分析要把 LED 灯具各个部分考虑进来，整体系统的短板的使用寿命才能代表整体系统的使用情况。 LED 芯片具有很高的稳定性，理论寿命可以达到 50000 小时，甚至更高。相比较 LED 芯片，LED 驱动电源发展与成熟也十分重要[2]。LED 驱动电源目前面临的最主要问题是寿命短，使得 LED 灯具达不到理论上的 50000 小时。传统的寿命测试方法，是将灯具连续点亮直至光通量不符合标准，以此来监测其寿命。可以看出，如果使用传统的寿命测试方法来对 LED 驱动电源的寿命进行评估的话，，既耗时又好力。同时，这种方法远远跟不上 LED 产品更新换代的速度。针对这些问题，LED 驱动电路的加速寿命测试方法应运而生。
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1.2 基于退化的可靠性研究方法国内外研究现状
传统的可靠性研究方法是基于失效的可靠性研究方法，这种方法主要是基于电子产品正常或者失效两种状态，根据当前的环境、应力等条件，查找出适合的基本失效率等参数，利用乘法公式进行计算，最终得出电子元器件的可靠度[4]。这种方法割裂了产品的失效机理与可靠性的联系，同时对于产品的退化信息不加以利用。随着技术的发展，电子产品的可靠性越来越高，基于失效的可靠性研究方法逐渐被基于退化的可靠性研究方法所代替。早在 20 世纪 70 年，国外就开始了关于退化模型的研究工作。Gertsbackh 等人在论文中首次提出了用产品的性能退化数据来对产品的可靠性进行分析的观点[5]，这一观点的提出在可靠性研究领域具有划时代的意义，同时拉开了基于退化的可靠性研究方法的序幕。美国科学家 Nair 在 20 世纪 80 年代就发表论文，说明了退化数据在失效机理和可靠性分析中的重要地位，对基于退化的可靠性分析方法的研究产生了深远的影响[6]。 Michael Pecht 等人于 1986 年成立 CALCE(计算机辅助产品寿命周期工程)研究中心，率先提出了基于失效物理的电子产品可靠性评估方法，将电子元器件、电子产品、航空航天电子等领域存在的问题整理出来，进行了大量研究。同时，对可靠性预计手册 Mil-HDBK-217 存在的问题进行了讨论分析[7]。文献[8]对基于失效物理的可靠性分析方法进行了详细研究，工作者需要获取产品的材料、尺寸大小、使用环境等基本信息，根据这些信息模型，确定系统中的关键元器件。最后，在此基础上，进行加速应力试验、寿命预测、元器件筛选等可靠性评估工作。CALCE 的研究学者应用上述方法对基于发光二极管的模型进行了可靠性研究，预测发光二极管的失效概率并分析其性能退化特性，最后设计对比试验证明了结论的正确性[9]。  
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第 2 章  基于退化的可靠性分析方法 

2.1 引言 
随着技术的发展，产品的寿命越来越长，可靠性也越来越高，传统的基于失效的可靠性分析方法逐渐被基于退化的可靠性分析方法所取代。基于退化的可靠性分析方法具有众多优点，更加适合对驱动电源进行可靠性分析。因此，本章将着重对基于退化的可靠性分析方法进行研究，并将这套分析方法应用于 LED 驱动电源的分析中。本章对两种可靠性分析方法进行对比分析，着重研究基于退化的可靠性分析方法，确定了针对 LED 驱动电源的可靠性分析方法并对常用的退化过程模型进行了研究，最后使用应力分析法对驱动电源失效概率进行了计算。 
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2.2 基于失效与基于退化的可靠性建模方法
传统的可靠性理论中，失效被认为是抽象的随机事件，产品的状态一般被简化为正常和失效两种离散状态，并以失效时间作为统计分析的对象，即通过大样本寿命试验获得产品失效时间数据，然后使用统计判别准则选择合适的寿命分析模型，如指数分布、正态分布、威布尔分布、对数正态分布等，描述产品的失效规律，并估计模型的参数，最后通过寿命分布模型评价产品寿命和可靠性[36]。因此，基于失效的可靠性建模方法就是如 2.1 所示的，一种基于时间或者失效数的可靠性建模方法。这种基于失效的可靠性建模方法对 LED 驱动电路可靠性分析有着明显的缺陷，总结如下： 1.LED 驱动电路的试验样品数较少，属小子样条件，上述可靠性的近似表达不合适。 2.LED 驱动电路具有高可靠度和较长的寿命(30000 小时左右)， r(t) =0 ，即缺少足够的失效样本，上述的近似表达明显不合适。 3.用此种方法进行加速寿命试验，用加速应力下的数据外推正常应力下的寿命，这需要产品的失效机理简单明确。对失效机理不明确、元器件数量多且结构复杂 LED 驱动电路而言，同样不适用。 
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第 3 章  LED 驱动电源加速老化测试系统设计........... 21 
3.1 引言 ........ 21 
3.2 LED 驱动电源基本原理 .......... 21 
3.3 试验系统设计原理 .......... 22 
3.4 系统硬件平台搭建 .......... 25 
3.5 本章小结 ......... 29 
第 4 章  LED 驱动电源加速寿命实验及寿命预测 ...... 31 
4.1 引言 ........ 31 
4.2 LED 驱动电源加速寿命试验 ........... 31
4.3 LED 驱动电源快速寿命预测方法............ 34
4.4 本章小结 ......... 40 
第 5 章  LED 驱动电源动、静态特性分析 .......... 41 
5.1 引言 ........ 41 
5.2 动、静态特性试验方案 ........... 41 
5.3 LED 驱动电源动态特性分析 ........... 42
5.4 LED 驱动电源静态特性及相关分析 ....... 47
5.5 本章小结 ......... 53 

第 5 章  LED 驱动电源动、静态特性分析

5.1 引言 

从关键元器件的角度对 LED 驱动电源进行可靠性研究具有一定的局限性，这种方法割裂了电参数和光通量之间的联系。另外，在不同试验条件下，LED驱动电源各个参数的退化曲线存在一定的特性，本论文将之称为动、静态特性。本章在 5.2 节中介绍了动、静态特性的试验方法。5.3 节中对 LED 驱动电源进行双应力条件下的动态特性试验，研究驱动电源在此条件下参数特性。在 5.4 节中，研究驱动电源在单一应力条件下的静态特性，分析并给出结论，最后，通过大量的试验，分析了 LED 驱动电源性能退化对光通量的影响。LED 驱动电路的动态特性研究就是在静态特性的基础上，考虑电压偏置带来的影响，并且研究随着驱动电路在高温条件下的老化，分析这种影响可能带来的变化。也就是说，在高温条件下的动态特性试验是一种恒应力条件下的双应力试验。下面对动、静态试验方案进行简要介绍。 下图 5.1 为 LED 驱动电路动、静态特性研究试验框图。如图，静态特性是指 LED 驱动电路在市电 220V 的输入电压下，使用高温老化试验箱对驱动电路进行高温加速老化的同时，对相关电参数进行检测，经过一段时间的老化，给出退化曲线并进行分析。 

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结论

本文选取国内某品牌 LED 驱动电源为研究对象，设计了一套 LED 驱动电源加速老化测试系统，并对驱动电源的动、静态特性进行了分析，本文主要研究成果如下： 1.研究基于退化的可靠性分析方法和常用的退化过程及退化模型，并将基于退化的可靠性分析方法应用于 LED 驱动电源的可靠性分析中。以驱动电源中的铝电解电容为例，介绍了关键元器件的失效概率计算方法并以本文的研究对象为例进行计算。 2.设计并开发了一套 LED 驱动电源加速老化测试系统，可以实现对 LED 驱动电源各种退化量的在线监测及数据收集，具有测量参数全面、测量精度高和平台搭建简便等特点，同时避免了 LED 模块的老化对驱动电源参数测量的影响。为后续 LED 驱动电源动、静态特性分析工作打下了基础。 3.讨论了在高温应力条件下，驱动电源的测试方案，并获得在不同应力条件下的退化数据。根据国际通用的 LED 标准，讨论了一种 LED 驱动电源寿命预测方法。基于此方法可以快速对驱动电源寿命进行预测，通过不同应力条件下计算的数据进行对比，验证了方法的有效性。 4.分析驱动电源的动态特性。首先对 LED 驱动电源的输入电压进行不同程度的偏置，获取在不同输入电压下，驱动电源各个参数的特性曲线。将两种不同形式的驱动电路进行了对比，得出了恒流源芯片的驱动电源性能最优的结论。最后对 LED 驱动电源外加电应力和温度应力，获取一段时间的退化数据进行分析。在这种双应力条件下，分析发现可能会出现失效机理改变的情况，并且与单一温度应力条件下驱动电源的性能、寿命进行了对比，在双应力条件下，驱动电源失效更快。 5.分析驱动电源的静态特性。对驱动电源在老化过程中出现的性能参数退化过程进行了详细的分析，并且根据试验前后的数据对比分析了驱动电源的性能退化对光通量的影响。认为对于本文选取的 LED 驱动电源，其输出电流对光通量影响不大，可以忽略。 
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参考文献(略)

本文编号：208572