提高LED路灯系统可靠性的若干探讨

时间：2021-05-23来源：佚名

　　随着LED路灯在全国各个省市推广普及应用，LED路灯的可靠性成为路灯设备制造商及使用者关心的问题。目前LED路灯的理论寿命通常在3～5万小时，但使用一段时间后部分灯具会出现光衰或不亮等现象。LED路灯失效所涉及的技术问题很多，但大致可归结为路灯的可靠性问题。本文针对LED路灯的可靠性问题进行分析并提出解决方案，供从事LED路灯设计和生产的人员参考。

　　一、可靠性的定义

　　可靠性是产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。产品的可靠性与外界环境的应力状态和对产品功能的需求密切相关。理解产品的可靠性可从两个角度出发，一是产品的层次结构，是指需要根据产品各层次特点开展相应的可靠性工作;二是产品的全寿命周期，是指在需求分析、总体设计、分项设计和生产、试验、使用、维修维护等过程都需开展相应的可靠性工作。

　　二、 LED路灯可靠性模型

　　按照产品的层次结构，产品的系统层次、装置层次、部件层次和零件层次都分别有相应的可靠性工作内容，即产品不同层次的可靠性影响因素和薄弱环节各有特点，需要分别开展相应的可靠性工作。影响LED路灯可靠性的主要因素包括器件的种类和数量、额定工作电参数和电应力、额定工作温度和环境温度、元器件的质量等级和品质保证等级、器件的降额特性和热敏感特性、器件的储存可靠性等。本文主要讨论LED路灯系统主要包含的LED模块、驱动电源模块、散热器和连接引线等四部分，出现问题后的解决方案。在分析之前了解LED路灯的可靠性模型对LED路灯可靠性的深入研究有所帮助。

　　产品的可靠性模型是指从可靠性观点出发，依照系统各单元间存在的功能逻辑关系，用框图将这种关系表达出来。基本的可靠性模型只有串联模型和并联模型两种。

　　串联结构模型指的是在构成系统的单元中，只要有一个发生故障，该系统就发生故障的结构。

　　其可靠性数学模型为：

　　R总=R1×R2×R3×R4×…×Rm

　　并联结构模型指的是只有当所有分系统都出现故障时该系统才发生故障的结构。

　　其可靠性数学模型为：

　　F总=F1×F2×F3×F4×…×Fm;

　　R总=1-F总

　　LED路灯的可靠性数学模型为：

　　R总=R电×R连×R模×R散

　　R表示单元在某一时段正常运行的概率;F表示单元某一时段失效的概率。

　　目前绝大部分的LED路灯的可靠性模型都是串联模型(如图1)。

　　三、提高LED路灯可靠性的解决方案

　　提高产品可靠性大概包括几个步骤，一是使用中总结分析或通过试验，发现系统在可靠性上的薄弱环节;二是研究分析导致这些薄弱环节的主要内外因素;三是针对分析得到的问题原因，在技术上、组织上采取相应的改进措施，并定量地评定和验证其效果;四是完善系统的制造工艺和生产组织。整灯可靠性主要由电源、连接引线、LED模块和散热外壳四个组成部件的可靠性决定，以下分别探讨各环节的解决方案。

　　1. 驱动电源是LED路灯可靠性中的关键因素。统计数据显示，目前有70%～80%的LED路灯失效由电源失效引起。至于电源失效的原因及其失效机理本文暂不作探讨，仅简要介绍提高电源可靠性的方法：

　　(1) 简化设计：优化驱动电路结构，合理设计电路，电路越简单越可靠。

　　(2) 降额设计：降低施加在电子元器件、零部件的电应力和热应力，以降低电子元器件、零部件的故障率，提高电源可靠性。

　　(3) 热设计：改变电源的散热条件，减少温度对电源的影响。

　　(4) 电源质量管控：在生产和采购电源的时候，可抽取一定样品量的电源置于高温箱内，同时监测电源的输出参数，测试时间和温度条件根据电源的使用条件而定。

　　2. 连接引线：其失效主要表现为线材老化、连接耦合器失效、连接焊点失效。线材老化的主要原因是线材长期暴露在外受到紫外光照射和酸雨腐蚀等，应尽量避免灯具的连接引线裸露在外，或使用橡胶线等材质的线材。连接耦合器除长期受到紫外光照射、酸雨腐蚀等外部原因外，内部引脚间隙不足也是造成耦合器失效的原因。连接焊点故障主要原因是焊点过厚、过粗降低其机械强度或焊锡的材料在高温下氧化等;应改善工艺并尽量避免焊点处受力、使用不易氧化过的焊锡。

　　3. LED模块：由于模块设计技术的成熟，LED模块可靠性较为稳定。在设计LED模块时应根据企业自身需求选取适当的可靠性模型，建议尽量采用混联模型设计，即由串联和并联混合组成的模型以提高模块的可靠性。

　　4. 散热外壳：散热水平影响LED芯片和电源散热及其寿命，以下三点需加以注意。

　　(1) 散热外壳设计要避免因为美观而增加塑料外壳，实验数据显示增加塑料外壳可导致整灯外壳温度增加20K。

　　(2) 在设计散热外壳的时候尽量把LED电源置于外部，尽量避免把电源封闭于电源腔内部，造成电源的热积累，降低电源的可靠性和使用寿命。测试数据显示，置于电源腔内的电源工作环境温度可达60℃。

　　(3) 需要分析LED路灯的散热路径，不要把电源置于路灯的散热路径上，否则会影响LED电源的散热。

　　采取相应措施后需进行相关测试对措施进行评估。可参照GJB 899A-2009 《可靠性鉴定与验收试验》内容并结合LED路灯的实际使用条件来设计测试条件。

　　四、结论

　　产品可靠性可通过设计、生产过程及管理来提高。提高产品可靠性，必须将其纳入整个产品寿命周期内，尤其在产品研制阶段，利用可靠性工程技术，对产品进行严密的监控，才能达到预期可靠性。当产品的系统可靠性出现问题后，可以采用系统的分析方法寻究原因，并有针对性地进行整改并鉴定合格后，可靠性便得以提升。

　　参考文献

　　[1] 中国国家标准化管理委员会，GB/T 24826-2009普通照明用LED和LED模块术语和定义[S].中国标准出版社出版(2009)

　　[2] 中国国家标准化管理委员会，GB/T 24824-2009 普通照明用LED模块测试方法[S]，中国标准出版社出版(2009)

　　[3] 朱清江，《可靠性工程基础》电子工业出版社(2011)