第 1 章  緒論 

1.1 問題的提出與研究意義
伴隨著能源短缺成為當(dāng)今人類社會所面臨的重要問題，能源的節(jié)約使用逐漸為社會所重視。能源節(jié)約中的一個重要課題就是電能的合理利用，由于照明用電占全世界電力消耗的比重很大，因而這一部分用電量的節(jié)約將帶來巨大的收益。眾所周知，當(dāng)今中國早已將節(jié)能和環(huán)保作為實(shí)現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的前提和保障，并且得到了相當(dāng)?shù)闹匾�。世界范圍�?nèi)，照明用電約占總用電量的 19%，而中國照明用電約占全國總用量 12%，可以看出，使用高效節(jié)能的新型照明產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)燈具在節(jié)能環(huán)保方面的潛力巨大。隨著社會的快速發(fā)展，照明領(lǐng)域的電力消耗越來越大，尋找新一代節(jié)能環(huán)保的光源迫在眉睫。 LED 照明產(chǎn)品的潛力早已為人們看重，其高光效、高可靠性和較高的能源利用率是代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明產(chǎn)品的最佳選擇。近些年來，LED 產(chǎn)品在燈具方面的應(yīng)用，增長巨大[1]。相比傳統(tǒng)光源，LED 具有可靠性高、體積小、能耗小和無污染等特點(diǎn)，它一經(jīng)問世就引起了照明產(chǎn)業(yè)的革命，很快成為了新一代節(jié)能光源。各國政府與照明界更是將其作為了一個全新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，因而 LED 產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展。LED 照明產(chǎn)品的出現(xiàn)不但帶動了照明產(chǎn)業(yè)的升級，為照明產(chǎn)業(yè)開拓了新的領(lǐng)域，更實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和環(huán)保兩大目標(biāo)。 LED 驅(qū)動電路作為 LED 照明產(chǎn)品的重要組成部分，其可靠性并沒有得到廣泛的重視。市面上各大生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的 LED 燈具的使用壽命都是采用發(fā)光部分的使用壽命作為整體燈具的使用壽命。而實(shí)際上，對 LED 燈具的整體壽命和可靠性的預(yù)測與分析要把 LED 燈具各個部分考慮進(jìn)來，整體系統(tǒng)的短板的使用壽命才能代表整體系統(tǒng)的使用情況。 LED 芯片具有很高的穩(wěn)定性，理論壽命可以達(dá)到 50000 小時，甚至更高。相比較 LED 芯片，LED 驅(qū)動電源發(fā)展與成熟也十分重要[2]。LED 驅(qū)動電源目前面臨的最主要問題是壽命短，使得 LED 燈具達(dá)不到理論上的 50000 小時。傳統(tǒng)的壽命測試方法，是將燈具連續(xù)點(diǎn)亮直至光通量不符合標(biāo)準(zhǔn)，以此來監(jiān)測其壽命�？梢钥闯觯绻褂脗鹘y(tǒng)的壽命測試方法來對 LED 驅(qū)動電源的壽命進(jìn)行評估的話，，既耗時又好力。同時，這種方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上 LED 產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度。針對這些問題，LED 驅(qū)動電路的加速壽命測試方法應(yīng)運(yùn)而生。
..........

1.2 基于退化的可靠性研究方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
傳統(tǒng)的可靠性研究方法是基于失效的可靠性研究方法，這種方法主要是基于電子產(chǎn)品正�；蛘呤煞N狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境、應(yīng)力等條件，查找出適合的基本失效率等參數(shù)，利用乘法公式進(jìn)行計算，最終得出電子元器件的可靠度[4]。這種方法割裂了產(chǎn)品的失效機(jī)理與可靠性的聯(lián)系，同時對于產(chǎn)品的退化信息不加以利用。隨著技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的可靠性越來越高，基于失效的可靠性研究方法逐漸被基于退化的可靠性研究方法所代替。早在 20 世紀(jì) 70 年，國外就開始了關(guān)于退化模型的研究工作。Gertsbackh 等人在論文中首次提出了用產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)來對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析的觀點(diǎn)[5]，這一觀點(diǎn)的提出在可靠性研究領(lǐng)域具有劃時代的意義，同時拉開了基于退化的可靠性研究方法的序幕。美國科學(xué)家 Nair 在 20 世紀(jì) 80 年代就發(fā)表論文，說明了退化數(shù)據(jù)在失效機(jī)理和可靠性分析中的重要地位，對基于退化的可靠性分析方法的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[6]。 Michael Pecht 等人于 1986 年成立 CALCE(計算機(jī)輔助產(chǎn)品壽命周期工程)研究中心，率先提出了基于失效物理的電子產(chǎn)品可靠性評估方法，將電子元器件、電子產(chǎn)品、航空航天電子等領(lǐng)域存在的問題整理出來，進(jìn)行了大量研究。同時，對可靠性預(yù)計手冊 Mil-HDBK-217 存在的問題進(jìn)行了討論分析[7]。文獻(xiàn)[8]對基于失效物理的可靠性分析方法進(jìn)行了詳細(xì)研究，工作者需要獲取產(chǎn)品的材料、尺寸大小、使用環(huán)境等基本信息，根據(jù)這些信息模型，確定系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件。最后，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行加速應(yīng)力試驗、壽命預(yù)測、元器件篩選等可靠性評估工作。CALCE 的研究學(xué)者應(yīng)用上述方法對基于發(fā)光二極管的模型進(jìn)行了可靠性研究，預(yù)測發(fā)光二極管的失效概率并分析其性能退化特性，最后設(shè)計對比試驗證明了結(jié)論的正確性[9]。  
..........

第 2 章  基于退化的可靠性分析方法 

2.1 引言 
隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的壽命越來越長，可靠性也越來越高，傳統(tǒng)的基于失效的可靠性分析方法逐漸被基于退化的可靠性分析方法所取代�；谕嘶目煽啃苑治龇椒ň哂斜姸鄡�(yōu)點(diǎn)，更加適合對驅(qū)動電源進(jìn)行可靠性分析。因此，本章將著重對基于退化的可靠性分析方法進(jìn)行研究，并將這套分析方法應(yīng)用于 LED 驅(qū)動電源的分析中。本章對兩種可靠性分析方法進(jìn)行對比分析，著重研究基于退化的可靠性分析方法，確定了針對 LED 驅(qū)動電源的可靠性分析方法并對常用的退化過程模型進(jìn)行了研究，最后使用應(yīng)力分析法對驅(qū)動電源失效概率進(jìn)行了計算。 
......

2.2 基于失效與基于退化的可靠性建模方法
傳統(tǒng)的可靠性理論中，失效被認(rèn)為是抽象的隨機(jī)事件，產(chǎn)品的狀態(tài)一般被簡化為正常和失效兩種離散狀態(tài)，并以失效時間作為統(tǒng)計分析的對象，即通過大樣本壽命試驗獲得產(chǎn)品失效時間數(shù)據(jù)，然后使用統(tǒng)計判別準(zhǔn)則選擇合適的壽命分析模型，如指數(shù)分布、正態(tài)分布、威布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布等，描述產(chǎn)品的失效規(guī)律，并估計模型的參數(shù)，最后通過壽命分布模型評價產(chǎn)品壽命和可靠性[36]。因此，基于失效的可靠性建模方法就是如 2.1 所示的，一種基于時間或者失效數(shù)的可靠性建模方法。這種基于失效的可靠性建模方法對 LED 驅(qū)動電路可靠性分析有著明顯的缺陷，總結(jié)如下： 1.LED 驅(qū)動電路的試驗樣品數(shù)較少，屬小子樣條件，上述可靠性的近似表達(dá)不合適。 2.LED 驅(qū)動電路具有高可靠度和較長的壽命(30000 小時左右)， r(t) =0 ，即缺少足夠的失效樣本，上述的近似表達(dá)明顯不合適。 3.用此種方法進(jìn)行加速壽命試驗，用加速應(yīng)力下的數(shù)據(jù)外推正常應(yīng)力下的壽命，這需要產(chǎn)品的失效機(jī)理簡單明確。對失效機(jī)理不明確、元器件數(shù)量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜 LED 驅(qū)動電路而言，同樣不適用。 
........

第 3 章  LED 驅(qū)動電源加速老化測試系統(tǒng)設(shè)計........... 21 
3.1 引言 ........ 21 
3.2 LED 驅(qū)動電源基本原理 .......... 21 
3.3 試驗系統(tǒng)設(shè)計原理 .......... 22 
3.4 系統(tǒng)硬件平臺搭建 .......... 25 
3.5 本章小結(jié) ......... 29 
第 4 章  LED 驅(qū)動電源加速壽命實(shí)驗及壽命預(yù)測 ...... 31 
4.1 引言 ........ 31 
4.2 LED 驅(qū)動電源加速壽命試驗 ........... 31
4.3 LED 驅(qū)動電源快速壽命預(yù)測方法............ 34
4.4 本章小結(jié) ......... 40 
第 5 章  LED 驅(qū)動電源動、靜態(tài)特性分析 .......... 41 
5.1 引言 ........ 41 
5.2 動、靜態(tài)特性試驗方案 ........... 41 
5.3 LED 驅(qū)動電源動態(tài)特性分析 ........... 42
5.4 LED 驅(qū)動電源靜態(tài)特性及相關(guān)分析 ....... 47
5.5 本章小結(jié) ......... 53 

第 5 章  LED 驅(qū)動電源動、靜態(tài)特性分析

5.1 引言 

從關(guān)鍵元器件的角度對 LED 驅(qū)動電源進(jìn)行可靠性研究具有一定的局限性，這種方法割裂了電參數(shù)和光通量之間的聯(lián)系。另外，在不同試驗條件下，LED驅(qū)動電源各個參數(shù)的退化曲線存在一定的特性，本論文將之稱為動、靜態(tài)特性。本章在 5.2 節(jié)中介紹了動、靜態(tài)特性的試驗方法。5.3 節(jié)中對 LED 驅(qū)動電源進(jìn)行雙應(yīng)力條件下的動態(tài)特性試驗，研究驅(qū)動電源在此條件下參數(shù)特性。在 5.4 節(jié)中，研究驅(qū)動電源在單一應(yīng)力條件下的靜態(tài)特性，分析并給出結(jié)論，最后，通過大量的試驗，分析了 LED 驅(qū)動電源性能退化對光通量的影響。LED 驅(qū)動電路的動態(tài)特性研究就是在靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上，考慮電壓偏置帶來的影響，并且研究隨著驅(qū)動電路在高溫條件下的老化，分析這種影響可能帶來的變化。也就是說，在高溫條件下的動態(tài)特性試驗是一種恒應(yīng)力條件下的雙應(yīng)力試驗。下面對動、靜態(tài)試驗方案進(jìn)行簡要介紹。 下圖 5.1 為 LED 驅(qū)動電路動、靜態(tài)特性研究試驗框圖。如圖，靜態(tài)特性是指 LED 驅(qū)動電路在市電 220V 的輸入電壓下，使用高溫老化試驗箱對驅(qū)動電路進(jìn)行高溫加速老化的同時，對相關(guān)電參數(shù)進(jìn)行檢測，經(jīng)過一段時間的老化，給出退化曲線并進(jìn)行分析。 

.........

結(jié)論

本文選取國內(nèi)某品牌 LED 驅(qū)動電源為研究對象，設(shè)計了一套 LED 驅(qū)動電源加速老化測試系統(tǒng)，并對驅(qū)動電源的動、靜態(tài)特性進(jìn)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過程及退化模型，并將基于退化的可靠性分析方法應(yīng)用于 LED 驅(qū)動電源的可靠性分析中。以驅(qū)動電源中的鋁電解電容為例，介紹了關(guān)鍵元器件的失效概率計算方法并以本文的研究對象為例進(jìn)行計算。 2.設(shè)計并開發(fā)了一套 LED 驅(qū)動電源加速老化測試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對 LED 驅(qū)動電源各種退化量的在線監(jiān)測及數(shù)據(jù)收集，具有測量參數(shù)全面、測量精度高和平臺搭建簡便等特點(diǎn)，同時避免了 LED 模塊的老化對驅(qū)動電源參數(shù)測量的影響。為后續(xù) LED 驅(qū)動電源動、靜態(tài)特性分析工作打下了基礎(chǔ)。 3.討論了在高溫應(yīng)力條件下，驅(qū)動電源的測試方案，并獲得在不同應(yīng)力條件下的退化數(shù)據(jù)。根據(jù)國際通用的 LED 標(biāo)準(zhǔn)，討論了一種 LED 驅(qū)動電源壽命預(yù)測方法。基于此方法可以快速對驅(qū)動電源壽命進(jìn)行預(yù)測，通過不同應(yīng)力條件下計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了方法的有效性。 4.分析驅(qū)動電源的動態(tài)特性。首先對 LED 驅(qū)動電源的輸入電壓進(jìn)行不同程度的偏置，獲取在不同輸入電壓下，驅(qū)動電源各個參數(shù)的特性曲線。將兩種不同形式的驅(qū)動電路進(jìn)行了對比，得出了恒流源芯片的驅(qū)動電源性能最優(yōu)的結(jié)論。最后對 LED 驅(qū)動電源外加電應(yīng)力和溫度應(yīng)力，獲取一段時間的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在這種雙應(yīng)力條件下，分析發(fā)現(xiàn)可能會出現(xiàn)失效機(jī)理改變的情況，并且與單一溫度應(yīng)力條件下驅(qū)動電源的性能、壽命進(jìn)行了對比，在雙應(yīng)力條件下，驅(qū)動電源失效更快。 5.分析驅(qū)動電源的靜態(tài)特性。對驅(qū)動電源在老化過程中出現(xiàn)的性能參數(shù)退化過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并且根據(jù)試驗前后的數(shù)據(jù)對比分析了驅(qū)動電源的性能退化對光通量的影響。認(rèn)為對于本文選取的 LED 驅(qū)動電源，其輸出電流對光通量影響不大，可以忽略。 
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：208572