本發(fā)明公開了基于實際運行環(huán)境下的LED壽命預測方法，屬于LED產(chǎn)品測試的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

相比于傳統(tǒng)光源，LED具有高效率和長壽命等優(yōu)點，近年來得到廣泛的應用。目前市場上的LED產(chǎn)品壽命通常標稱為25000-50000小時，但用戶在使用中發(fā)現(xiàn)LED產(chǎn)品經(jīng)常在標稱壽命前失效，無法實現(xiàn)高可靠運行。除了LED驅(qū)動器造成的LED產(chǎn)品失效外，造成LED光源與標稱壽命不相等的原因主要有：(1)LED壽命的定義比較模糊，缺乏對工作條件、失效標準、可靠度、置信度等因素的考慮；(2)標稱壽命通常在指定電流和溫度條件下測試，而實際LED產(chǎn)品的工作條件并不是恒定的，惡劣工況下甚至會超過額定工作條件。

目前，LED壽命的定義多采用L_p壽命模型，即當輸出光通量低于初始值p％時，即認為LED失效，通常L₇₀標準用于戶外照明，L₉₀標準應用于室內(nèi)通用照明。但長達數(shù)萬小時的L_p壽命并不能完全通過實驗測試得到的，按照工業(yè)標準IES LM-80的規(guī)定，LED廠商應提供不低于6000小時的輸出光通量測試數(shù)據(jù)，其驅(qū)動電流設(shè)定為典型工作電流，環(huán)境溫度至少三種：55℃、85℃和自選溫度。超過測試時間的壽命則是對LM-80報告中的光通量數(shù)據(jù)進行最小二乘法曲線擬合，即IES TM-21標準，預測其達到初始光通量p％所需的時間。但IES TM-21采用平均化數(shù)據(jù)，忽略了樣本之間的壽命差異，無法讀取可靠性信息。IES LM-80只給出幾個測試條件下的數(shù)據(jù)，無法得到不同工況下的壽命模型和預測方法。因此，正確預測LED在實際運行環(huán)境下的壽命有利于指導LED散熱及系統(tǒng)設(shè)計，提高LED照明產(chǎn)品的壽命和可靠性，真正實現(xiàn)綠色照明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了基于實際運行環(huán)境下的LED壽命預測方法，尤其涉及一種在變化工作環(huán)境下真實預測各種置信度或置信區(qū)間下一定比例的LED失效所需時間的方法，實現(xiàn)了變化工作環(huán)境下的LED壽命預測，解決了采用平均化數(shù)據(jù)預測LED壽命忽略了樣本之間的壽命差異從而導致無法讀取可靠性信息的技術(shù)問題。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：

一種基于實際運行環(huán)境下的LED壽命預測方法，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)LED實際運行環(huán)境及選用的LED型號，確定工作時的環(huán)境溫度T_A和驅(qū)動電流I_F曲線，根據(jù)LED應用場合選定LED壽命標準L_p，即LED達到初始光通量p％所用時間。

步驟2、確定一批LED壽命模型B_X：

2-1)由LED失效機理得到單個LED壽命模型L_p為：

其中，A_p為常數(shù)，n為比例因子，E_a為分子激活能，k_B為玻爾茲曼常數(shù)，L_p(I_F,T_J)為LED在驅(qū)動電流I_F和結(jié)溫T_J確定的應力水平下達到最初光通量p％所需時間；

2-2)一批LED壽命模型B_X，表示在B_X工作時間內(nèi)，該批次LED產(chǎn)品中存在X％的失效率，也就是X％個產(chǎn)品的輸出光通量下降到最初光通量的p％，即批量LED失效率為X％時的壽命，

其中，常數(shù)A_X、分子激活能E_a、比例因子n待求；

2-3)B_X與L_p具有相同的加速因子AF：

其中，(I_F0，T_J0)為初始驅(qū)動電流I_F0和初始結(jié)溫T_J0確定的應力水平，(I_F，T_J)為實際運行中的加速應力水平(驅(qū)動電流I_F和結(jié)溫T_J確定的應力水平)。采用LED產(chǎn)品的IES LM-80報告數(shù)據(jù)，選取至少三組不同驅(qū)動電流和結(jié)溫條件(I_F，T_J)所確定應力水平下的輸出光通量數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟1中選定的L_p壽命標準得到至少三組不同驅(qū)動電流I_F和結(jié)溫T_J確定應力水平下的L_p數(shù)據(jù)；

2-4)使步驟2-3)中的L_p數(shù)據(jù)服從韋伯分布，韋伯分布的累積失效概率曲線F(t)：

其中，F(xiàn)(B_X)＝X％，R(t)為可靠度函數(shù)，t為時間，η為基于B_63.2標準的特征參數(shù)，即η＝B_63.2，β是形狀參數(shù)，B_63.2標準表示在一定驅(qū)動電流和結(jié)溫確定的應力水平下批量LED失效率為63.2％時的壽命；

2-5)將步驟2-3)中的L_p數(shù)據(jù)，采用最小二乘法線性擬合，根據(jù)步驟1中選定的L_p壽命標準，擬合出至少三組不同的韋伯曲線，讀取不同驅(qū)動電流和結(jié)溫確定應力水平下的β、η和B_X值；

2-6)在步驟2-5)中取三組應力水平及對應的η值，將其代入步驟2-3)中的加速因子AF公式，其中，

構(gòu)成兩組方程，求得分子激活能E_a和比例因子n的數(shù)值；

2-7)將分子激活能E_a、比例因子n和任何一組(I_F，T_J)確定應力水平下的B_X值帶入步驟2-2)中的B_X壽命模型得到A_X。

步驟3、獲取LED在實際運行環(huán)境下的結(jié)溫曲線。

3-1)通過實驗測試或器件手冊獲取LED在不同封裝表面溫度T_c下的導通壓降V_F、LED輻射光功率P_opt、LED從內(nèi)部p-n結(jié)到封裝表面的熱阻Θ_j-c與驅(qū)動電流I_F之間的關(guān)系曲線；

3-2)通過公式計算LED內(nèi)部p-n結(jié)結(jié)溫T_J：

T_J(T_A,P_heat,Θ_hs-a)＝T_A+P_heat·Θ_j-a＝T_A+P_heat·(Θ_j-c+Θ_c-hs+mΘ_hs-a) (6)，

其中，LED消耗的電功率P_e1＝I_FV_F，LED散發(fā)的熱功率P_heat＝P_e1-P_opt，其熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)k_h＝P_heat/P_e1＝1-P_opt/P_e1，m為同一散熱器上所串聯(lián)的LED個數(shù)，Θ_c-hs為LED表面到散熱器之間的所有器件熱阻之和，Θ_hs-a為散熱器熱阻；

3-3)將步驟3-1)中各種曲線關(guān)系代入步驟3-2)，構(gòu)建如圖10所示的實時結(jié)溫T_J反饋系統(tǒng)圖，得到LED在實際運行環(huán)境下的結(jié)溫曲線。

步驟4、計算基于實際運行環(huán)境下的LED壽命值B_X。

4-1)將實際運行環(huán)境下的第i個應力水平(T_J，I_F)_i帶入步驟2中的B_X壽命公式，得到一個周期運行環(huán)境下第i個應力水平下批量LED的壽命B_Xi數(shù)據(jù)；

4-2)計算一個運行周期內(nèi)批量LED的消耗壽命CL：

其中，t_i為(T_J，I_F)_i應力水平下的LED累計工作時間，k為一個周期運行環(huán)境下的應力水平的總數(shù)；

4-3)計算工作在周期運行環(huán)境下的LED壽命值B_X(hour)：

步驟2-5)中不同環(huán)境應力下求得的形狀參數(shù)β的大小應相同。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：通過加速試驗報告數(shù)據(jù)建立具有相同加速因子的單個LED壽命模型和批量LED壽命模型；通過構(gòu)建影響LED壽命的關(guān)鍵因素p-n結(jié)內(nèi)部結(jié)溫反饋系統(tǒng)圖得到LED工作時的實時結(jié)溫；由LED工作時的實際結(jié)溫以及批量LED壽命模型準確預測LED壽命，不僅解決了IES TM-21采用平均化數(shù)據(jù)預測LED壽命忽略了樣本之間的壽命差異從而導致無法讀取可靠性信息的技術(shù)問題，而且還解決了加速試驗中有限的測試條件和數(shù)據(jù)無法反映實際運行環(huán)境下變化工況時的LED壽命的技術(shù)問題，有利于指導LED散熱及系統(tǒng)設(shè)計，提高LED照明產(chǎn)品的壽命和可靠性。該方法可推廣到LED驅(qū)動器以及整個LED照明系統(tǒng)的壽命預測。

附圖說明

圖1是I_F＝0.35A、T_A＝120℃、T_J＝129℃時的LED輸出光通量曲線。

圖2是I_F＝0.7A、T_A＝55℃、T_J＝74℃時的LED輸出光通量曲線。

圖3是I_F＝1A、T_A＝85℃、T_J＝112℃時的LED輸出光通量曲線。

圖4是基于壽命標準L₉₀的LED累積失效概率曲線F(t)。

圖5是基于壽命標準L₇₀的LED累積失效概率曲線F(t)。

圖6是基于不同驅(qū)動電流I_F和結(jié)溫T_J下的B_X分布圖。

圖7是LED的V-I特性曲線。

圖8是LED的光電轉(zhuǎn)化比例P_opt/P_e1特性曲線。

圖9是熱流路徑累積結(jié)構(gòu)函數(shù)圖。

圖10是LED實時結(jié)溫反饋系統(tǒng)圖。

圖11是基于L₉₀標準下室內(nèi)照明實驗曲線。

圖12是基于L₇₀標準下戶外街燈照明實驗曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

實驗選用Lumileds公司Luxeon K2白光LED。從其IES LM-80報告數(shù)據(jù)中選取三組不同驅(qū)動電流和結(jié)溫條件(I_F，T_J)下的輸出光通量數(shù)據(jù)，選定L_p壽命標準，得到三組不同驅(qū)動電流I_F和結(jié)溫T_J條件下的L_p數(shù)據(jù)，如圖1、圖2、圖3所示。使L_p數(shù)據(jù)服從韋伯分布，采用最小二乘法線性擬合，得到三組不同的韋伯曲線。不同環(huán)境應力(I_F，T_J)及L_p壽命標準下得到的形狀參數(shù)β大小應相同。由圖4和圖5可得到不同L_p標準下的B_X壽命模型的激活能E_a、比例因子n、特征參數(shù)η、不同失效率下的B_X值。

圖6是基于圖4和圖5條件下的壽命模型B_X，選用壽命標準L₇₀和L₉₀，以失效率1％和10％為例，其壽命模型為：

選用Lumileds公司Luxeon K2白光LED，將其焊接到PCB電路板實現(xiàn)電氣連接，PCB板附著在散熱器上，利用導熱接口材料TIM(Thermal Interface Material)填充兩者之間的氣隙，以實現(xiàn)進一步的熱量傳導。

為準確得到實驗中的LED光電熱特性，采用T3Ster(Thermal Transient Tester)設(shè)備進行特性測試，將上述LED結(jié)構(gòu)除去散熱器，放置在T3Ster的金屬板上，以金屬板替代散熱器。調(diào)整金屬板溫度，即散熱器溫度，進行實驗測試。設(shè)置36組不同應力水平進行實驗，驅(qū)動電流I_F隨機分布為0.25A,0.5A,0.75A,1A，散熱器溫度T_hs為10℃,20℃直至90℃。

采用T3Ster測試系統(tǒng)，可得圖7所示的伏安特性曲線、圖8的輸出光電轉(zhuǎn)換比例P_opt/P_e1特性曲線和圖9的熱流路徑累積結(jié)構(gòu)函數(shù)圖。其中，圖9中的熱容C_th達到正無窮時，其對應的熱阻Θ_j-hs值即為LED p-n結(jié)到金屬板之間的所有器件熱阻之和。

將圖7、圖8、圖9的三維圖代入圖10，構(gòu)建LED實時結(jié)溫反饋系統(tǒng)圖，其中，圖10采用戶外街燈的電流曲線，其環(huán)境溫度曲線分別采樣自丹麥奧爾堡市和新加坡。此處采用便于測量的散熱器溫度T_hs作為反饋信號。利用結(jié)溫公式T_J＝T_hs+P_heat·Θ_j-hs，求得p-n結(jié)結(jié)溫T_J。已知驅(qū)動電流I_F和結(jié)溫T_J，由壽命公式B_X，得到所有的B_Xi，利用公式得到實際運行環(huán)境下LED壽命，實現(xiàn)壽命預測。

選用圖7所示的單個LED進行室內(nèi)照明實驗，采用L₉₀標準，驅(qū)動電流為0.35A，工作時間為每天19:00至24:00，室內(nèi)環(huán)境溫度假設(shè)為恒溫22℃(半年)和26℃(半年)，采用上述壽命預測步驟，得到圖11所示的壽命與散熱器熱阻之間的關(guān)系曲線。由圖11可知，采用散熱效果好的散熱器，即等效熱阻小，可有效提高LED光源的壽命。為實現(xiàn)相同的50,000小時壽命，相較于B₁₀壽命標準，B₁壽命標準對散熱器性能要求更高，其等效熱阻最大值為51.5℃/W，而B₁₀壽命標準下可采用的散熱器等效熱阻最大值為76.2℃/W。圖11可為LED照明設(shè)計提供散熱參考，每個LED應根據(jù)其實際運行環(huán)境和可靠性要求，選擇合適的散熱器。

單個LED的照明亮度難以滿足大部分場合需要，此處選用18個相同型號的LED串聯(lián)，進行街燈照明實驗，實驗地點分別為丹麥奧爾堡市和新加坡，兩地的環(huán)境溫度如圖10所示，差別較大。LED驅(qū)動電流為0.7A，工作時間為每天19:00至次日5:00，采用L₇₀標準，其預測的壽命B₁₀和熱阻曲線如圖12。由圖12可知LED的環(huán)境溫度對其壽命具有較大影響，溫度高，其壽命短。為達到相同的50,000小時壽命，同一盞路燈工作在新加坡和奧爾堡所需的散熱器并不相同。因此，LED照明應根據(jù)不同的使用環(huán)境分別提出相對應的熱管理方案以提高LED照明系統(tǒng)的壽命和可靠性。