壽命和可靠性對于LED驅(qū)動器設(shè)計的重要性

1 引言

隨著日益嚴重的能源及環(huán)境問題，全球各地正在大范圍地取代傳統(tǒng)的白熾燈燈具。雖然有很大部分是緊湊型熒光燈，但是對節(jié)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(jié)能潛力需求，使越來越多的用戶轉(zhuǎn)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(jù)市場調(diào)研公司iSuppli預(yù)計，LED相關(guān)的全球銷售額將繼續(xù)強勁增長的格局，盡管全球經(jīng)濟復(fù)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(jié)能燈的廣泛使用，消費者卻開始看到了這種產(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(qū)動裝置也達到了同樣的壽命和高可靠性?設(shè)計不良產(chǎn)品可能會毀掉LED照明產(chǎn)業(yè)，設(shè)計優(yōu)良的LED照明系統(tǒng)壽命能夠持續(xù)長達50 0004、時。但是，除非電子裝置部分也能變得相應(yīng)壽命長，可靠性高，否則LED照明的優(yōu)勢將無法實現(xiàn)。

在設(shè)計生產(chǎn)中，重要的是要了解該產(chǎn)品的使用壽命和產(chǎn)品的可靠性是兩個非常不同的概念，雖然不無關(guān)系，但它們往往是被混淆。壽命是指用戶可以期望單一產(chǎn)品能正常工作之后，直到該產(chǎn)品不適合使用之前的時間長度?？煽啃允怯脕眢w現(xiàn)批量產(chǎn)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(shù)來表示。50 000d、時的壽命意味著這個產(chǎn)品能服役50 000小時。而50 000小時的MTBF意味著，對于1 000個產(chǎn)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(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(shù)電源供應(yīng)器，包括LED驅(qū)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(fā)，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(jié)果;

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

L0——電容生產(chǎn)廠家提供的在規(guī)定標準條件的壽命數(shù)據(jù);

Ts——電容生產(chǎn)廠家提供的在規(guī)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(yōu)化壽命設(shè)計會變得相當簡單。

第一件事就是選擇一個高品質(zhì)，長壽命的電容。第二，工程師應(yīng)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(shè)計余量。但是過度選用高規(guī)格電容器將導(dǎo)致使用容量更大、更昂貴的產(chǎn)品從而導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加。然而設(shè)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圍的操作環(huán)境溫度、驅(qū)動器的散熱能力和發(fā)熱量決定的。

對于特定已有的設(shè)計和應(yīng)用場合，對溫度的主要決定者將是驅(qū)動器的效率和散熱。換句話說，高效率和低熱阻設(shè)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l(wèi)O%的不同，而是對應(yīng)增加了3.3倍損耗，而這些損耗都在驅(qū)動器中轉(zhuǎn)化成了熱量。英飛特投入了巨大研發(fā)力量改善LED驅(qū)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(guān)系。

圖1 150W LED驅(qū)動器損耗效率曲線

由于不同設(shè)計的產(chǎn)品可以有著明顯不同的效率，因此，驅(qū)動器機殼內(nèi)的溫度可大不相同。正如在公式(1)所體現(xiàn)的，一個10℃溫差下可以相差一倍的壽命。即使假定的熱設(shè)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(qū)動器必然會導(dǎo)致不同的電容器溫度，因此導(dǎo)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(qū)動器壽命效率曲線

然而即使驅(qū)動器具有高效率，如果沒有良好的熱傳導(dǎo)或?qū)α髟O(shè)計，有限的功率損耗也會導(dǎo)致內(nèi)部電子原件的高溫。利用良好的導(dǎo)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(qū)動器就可以實現(xiàn)在45℃環(huán)境溫度下87 000d、時的壽命。這比目前市場上大多數(shù)LED驅(qū)動器更好，從而將極大地改善和促進LED照明項目的應(yīng)用和發(fā)展。