寿命和可靠性对于LED驱动器设计的重要性 驱动器, 可靠性

1 引言
随着日益严重的能源及环境问题，全球各地正在大范围地取代传统的白炽灯灯具。虽然有很大部分是紧凑型荧光灯，但是对节能灯的灯管汞含量的关注(有可能对环境造成污染)以及更大的节能潜力需求，使越来越多的用户转向LED灯。最新的LED灯能耗不到的白炽灯能耗的80%，不含有毒物质。据市场调研公司iSuppli预计，LED相关的全球销售额将继续强劲增长的格局，尽管全球经济复苏缓慢，但估计市场将在2013年达到约146亿美元。
随着富含电子器件的节能灯的广泛使用，消费者却开始看到了这种产品的频繁失效。而LED照明的潜在寿命则会大大延长，并提供更好的可靠性。
问题存在于是否LED灯所使用的电子驱动装置也达到了同样的寿命和高可靠性?设计不良产品可能会毁掉LED照明产业，设计优良的LED照明系统寿命能够持续长达50 0004、时。但是，除非电子装置部分也能变得相应寿命长，可靠性高，否则LED照明的优势将无法实现。
在设计生产中，重要的是要了解该产品的使用寿命和产品的可靠性是两个非常不同的概念，虽然不无关系，但它们往往是被混淆。寿命是指用户可以期望单一产品能正常工作之后，直到该产品不适合使用之前的时间长度。可靠性是用来体现批量产品的失效率，它可用MTBF(平均无故障间隔时间)或者说失效率的倒数来表示。50 000d、时的寿命意味着这个产品能服役50 000小时。而50 000小时的MTBF意味着，对于1 000个产品，每隔50小时，从概率的角度来考量，理论上人们会看到一个随机故障。这两个概念对于LED照明的成功实施是非常重要的。
2 寿命
估算任何产品的寿命，主要是确定所有电子元件的磨损机制，然后找出最短的元件寿命。对于大多数电源供应器，包括LED驱动器，寿命最短的元器件会是电解电容。电容中的电解液会随着工作温度及工作时间不同程度的挥发，而电容纹波电流也会影响寿命。虽然电解电容可能各有不同，不同厂家或不同的元件型号，但一个典型的电解电容器的寿命一般可以采用以下公式来表示：


式中：
Lx——寿命计算的结果;
k——由电容的RMS纹波电流和工作电压决定的系数，可以是一个值或一个函数;
L0——电容生产厂家提供的在规定标准条件的寿命数据;
Ts——电容生产厂家提供的在规定标准条件的电容器表面温度;
Ta——目标工作情况下电容器表面温度。
有了这个公式，优化寿命设计会变得相当简单。
第一件事就是选择一个高品质，长寿命的电容。第二，工程师应努力降低流过电容的RMS纹波电流，以及工作电压。所以选择电容器需要减少纹波电流和电压来获得足够的设计余量。但是过度选用高规格电容器将导致使用容量更大、更昂贵的产品从而导致产品成本增加。然而设计余量不足却可能大大损害产品的使用寿命。业界认为最有效的方法是降低电容器的表面温度。电容的表面温度是由周围的操作环境温度、驱动器的散热能力和发热量决定的。
对于特定已有的设计和应用场合，对温度的主要决定者将是驱动器的效率和散热。换句话说，高效率和低热阻设计可以显着提高其使用寿命。效率对温度有着比很多人想象中更大的影响。例如，从95%至85%的效率并不是说损耗额只会有lO%的不同，而是对应增加了3.3倍损耗，而这些损耗都在驱动器中转化成了热量。英飞特投入了巨大研发力量改善LED驱动器的效率。以流行的EUC一150S(150W的恒定电流输出)系列来说，220V交流满载效率达到了92%，损耗只有13W。随着输出功率越来越高，只有1%的效率差异可以看到完全不同的功率损耗。图1显示了效率和损耗之间的关系。


图1 150W LED驱动器损耗效率曲线
由于不同设计的产品可以有着明显不同的效率，因此，驱动器机壳内的温度可大不相同。正如在公式(1)所体现的，一个10℃温差下可以相差一倍的寿命。即使假定的热设计是一样的，这意味着从电容器到空气的热阻是相同的，不同效率的驱动器必然会导致不同的电容器温度，因此导致非常不同的寿命。仍用150W的产品作为例子在图2中显示了效率与寿命关系。


图2 150W LED驱动器寿命效率曲线
然而即使驱动器具有高效率，如果没有良好的热传导或对流设计，有限的功率损耗也会导致内部电子原件的高温。利用良好的导热灌胶材料和表面坚固的铝合金外壳，可大大减少从电子原件到环境的热阻。这样，驱动器就可以实现在45℃环境温度下87 000d、时的寿命。这比目前市场上大多数LED驱动器更好，从而将极大地改善和促进LED照明项目的应用和发展。