基于实际运行环境下的LED寿命预测方法与流程

本发明公开了基于实际运行环境下的LED寿命预测方法，属于LED产品测试的技术领域。

背景技术：

相比于传统光源，LED具有高效率和长寿命等优点，近年来得到广泛的应用。目前市场上的LED产品寿命通常标称为25000-50000小时，但用户在使用中发现LED产品经常在标称寿命前失效，无法实现高可靠运行。除了LED驱动器造成的LED产品失效外，造成LED光源与标称寿命不相等的原因主要有：(1)LED寿命的定义比较模糊，缺乏对工作条件、失效标准、可靠度、置信度等因素的考虑；(2)标称寿命通常在指定电流和温度条件下测试，而实际LED产品的工作条件并不是恒定的，恶劣工况下甚至会超过额定工作条件。

目前，LED寿命的定义多采用L_p寿命模型，即当输出光通量低于初始值p％时，即认为LED失效，通常L₇₀标准用于户外照明，L₉₀标准应用于室内通用照明。但长达数万小时的L_p寿命并不能完全通过实验测试得到的，按照工业标准IES LM-80的规定，LED厂商应提供不低于6000小时的输出光通量测试数据，其驱动电流设定为典型工作电流，环境温度至少三种：55℃、85℃和自选温度。超过测试时间的寿命则是对LM-80报告中的光通量数据进行最小二乘法曲线拟合，即IES TM-21标准，预测其达到初始光通量p％所需的时间。但IES TM-21采用平均化数据，忽略了样本之间的寿命差异，无法读取可靠性信息。IES LM-80只给出几个测试条件下的数据，无法得到不同工况下的寿命模型和预测方法。因此，正确预测LED在实际运行环境下的寿命有利于指导LED散热及系统设计，提高LED照明产品的寿命和可靠性，真正实现绿色照明。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于实际运行环境下的LED寿命预测方法，尤其涉及一种在变化工作环境下真实预测各种置信度或置信区间下一定比例的LED失效所需时间的方法，实现了变化工作环境下的LED寿命预测，解决了采用平均化数据预测LED寿命忽略了样本之间的寿命差异从而导致无法读取可靠性信息的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于实际运行环境下的LED寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1、根据LED实际运行环境及选用的LED型号，确定工作时的环境温度T_A和驱动电流I_F曲线，根据LED应用场合选定LED寿命标准L_p，即LED达到初始光通量p％所用时间。

步骤2、确定一批LED寿命模型B_X：

2-1)由LED失效机理得到单个LED寿命模型L_p为：

其中，A_p为常数，n为比例因子，E_a为分子激活能，k_B为玻尔兹曼常数，L_p(I_F,T_J)为LED在驱动电流I_F和结温T_J确定的应力水平下达到最初光通量p％所需时间；

2-2)一批LED寿命模型B_X，表示在B_X工作时间内，该批次LED产品中存在X％的失效率，也就是X％个产品的输出光通量下降到最初光通量的p％，即批量LED失效率为X％时的寿命，

其中，常数A_X、分子激活能E_a、比例因子n待求；

2-3)B_X与L_p具有相同的加速因子AF：

其中，(I_F0，T_J0)为初始驱动电流I_F0和初始结温T_J0确定的应力水平，(I_F，T_J)为实际运行中的加速应力水平(驱动电流I_F和结温T_J确定的应力水平)。采用LED产品的IES LM-80报告数据，选取至少三组不同驱动电流和结温条件(I_F，T_J)所确定应力水平下的输出光通量数据，根据步骤1中选定的L_p寿命标准得到至少三组不同驱动电流I_F和结温T_J确定应力水平下的L_p数据；

2-4)使步骤2-3)中的L_p数据服从韦伯分布，韦伯分布的累积失效概率曲线F(t)：

其中，F(B_X)＝X％，R(t)为可靠度函数，t为时间，η为基于B_63.2标准的特征参数，即η＝B_63.2，β是形状参数，B_63.2标准表示在一定驱动电流和结温确定的应力水平下批量LED失效率为63.2％时的寿命；

2-5)将步骤2-3)中的L_p数据，采用最小二乘法线性拟合，根据步骤1中选定的L_p寿命标准，拟合出至少三组不同的韦伯曲线，读取不同驱动电流和结温确定应力水平下的β、η和B_X值；

2-6)在步骤2-5)中取三组应力水平及对应的η值，将其代入步骤2-3)中的加速因子AF公式，其中，

构成两组方程，求得分子激活能E_a和比例因子n的数值；

2-7)将分子激活能E_a、比例因子n和任何一组(I_F，T_J)确定应力水平下的B_X值带入步骤2-2)中的B_X寿命模型得到A_X。

步骤3、获取LED在实际运行环境下的结温曲线。

3-1)通过实验测试或器件手册获取LED在不同封装表面温度T_c下的导通压降V_F、LED辐射光功率P_opt、LED从内部p-n结到封装表面的热阻Θ_j-c与驱动电流I_F之间的关系曲线；

3-2)通过公式计算LED内部p-n结结温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消耗的电功率P_e1＝I_FV_F，LED散发的热功率P_heat＝P_e1-P_opt，其热电转换系数k_h＝P_heat/P_e1＝1-P_opt/P_e1，m为同一散热器上所串联的LED个数，Θ_c-hs为LED表面到散热器之间的所有器件热阻之和，Θ_hs-a为散热器热阻；

3-3)将步骤3-1)中各种曲线关系代入步骤3-2)，构建如图10所示的实时结温T_J反馈系统图，得到LED在实际运行环境下的结温曲线。

步骤4、计算基于实际运行环境下的LED寿命值B_X。

4-1)将实际运行环境下的第i个应力水平(T_J，I_F)_i带入步骤2中的B_X寿命公式，得到一个周期运行环境下第i个应力水平下批量LED的寿命B_Xi数据；

4-2)计算一个运行周期内批量LED的消耗寿命CL：

其中，t_i为(T_J，I_F)_i应力水平下的LED累计工作时间，k为一个周期运行环境下的应力水平的总数；

4-3)计算工作在周期运行环境下的LED寿命值B_X(hour)：

步骤2-5)中不同环境应力下求得的形状参数β的大小应相同。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：通过加速试验报告数据建立具有相同加速因子的单个LED寿命模型和批量LED寿命模型；通过构建影响LED寿命的关键因素p-n结内部结温反馈系统图得到LED工作时的实时结温；由LED工作时的实际结温以及批量LED寿命模型准确预测LED寿命，不仅解决了IES TM-21采用平均化数据预测LED寿命忽略了样本之间的寿命差异从而导致无法读取可靠性信息的技术问题，而且还解决了加速试验中有限的测试条件和数据无法反映实际运行环境下变化工况时的LED寿命的技术问题，有利于指导LED散热及系统设计，提高LED照明产品的寿命和可靠性。该方法可推广到LED驱动器以及整个LED照明系统的寿命预测。

附图说明

图1是I_F＝0.35A、T_A＝120℃、T_J＝129℃时的LED输出光通量曲线。

图2是I_F＝0.7A、T_A＝55℃、T_J＝74℃时的LED输出光通量曲线。

图3是I_F＝1A、T_A＝85℃、T_J＝112℃时的LED输出光通量曲线。

图4是基于寿命标准L₉₀的LED累积失效概率曲线F(t)。

图5是基于寿命标准L₇₀的LED累积失效概率曲线F(t)。

图6是基于不同驱动电流I_F和结温T_J下的B_X分布图。

图7是LED的V-I特性曲线。

图8是LED的光电转化比例P_opt/P_e1特性曲线。

图9是热流路径累积结构函数图。

图10是LED实时结温反馈系统图。

图11是基于L₉₀标准下室内照明实验曲线。

图12是基于L₇₀标准下户外街灯照明实验曲线。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

实验选用Lumileds公司Luxeon K2白光LED。从其IES LM-80报告数据中选取三组不同驱动电流和结温条件(I_F，T_J)下的输出光通量数据，选定L_p寿命标准，得到三组不同驱动电流I_F和结温T_J条件下的L_p数据，如图1、图2、图3所示。使L_p数据服从韦伯分布，采用最小二乘法线性拟合，得到三组不同的韦伯曲线。不同环境应力(I_F，T_J)及L_p寿命标准下得到的形状参数β大小应相同。由图4和图5可得到不同L_p标准下的B_X寿命模型的激活能E_a、比例因子n、特征参数η、不同失效率下的B_X值。

图6是基于图4和图5条件下的寿命模型B_X，选用寿命标准L₇₀和L₉₀，以失效率1％和10％为例，其寿命模型为：

选用Lumileds公司Luxeon K2白光LED，将其焊接到PCB电路板实现电气连接，PCB板附着在散热器上，利用导热接口材料TIM(Thermal Interface Material)填充两者之间的气隙，以实现进一步的热量传导。

为准确得到实验中的LED光电热特性，采用T3Ster(Thermal Transient Tester)设备进行特性测试，将上述LED结构除去散热器，放置在T3Ster的金属板上，以金属板替代散热器。调整金属板温度，即散热器温度，进行实验测试。设置36组不同应力水平进行实验，驱动电流I_F随机分布为0.25A,0.5A,0.75A,1A，散热器温度T_hs为10℃,20℃直至90℃。

采用T3Ster测试系统，可得图7所示的伏安特性曲线、图8的输出光电转换比例P_opt/P_e1特性曲线和图9的热流路径累积结构函数图。其中，图9中的热容C_th达到正无穷时，其对应的热阻Θ_j-hs值即为LED p-n结到金属板之间的所有器件热阻之和。

将图7、图8、图9的三维图代入图10，构建LED实时结温反馈系统图，其中，图10采用户外街灯的电流曲线，其环境温度曲线分别采样自丹麦奥尔堡市和新加坡。此处采用便于测量的散热器温度T_hs作为反馈信号。利用结温公式T_J＝T_hs+P_heat·Θ_j-hs，求得p-n结结温T_J。已知驱动电流I_F和结温T_J，由寿命公式B_X，得到所有的B_Xi，利用公式得到实际运行环境下LED寿命，实现寿命预测。

选用图7所示的单个LED进行室内照明实验，采用L₉₀标准，驱动电流为0.35A，工作时间为每天19:00至24:00，室内环境温度假设为恒温22℃(半年)和26℃(半年)，采用上述寿命预测步骤，得到图11所示的寿命与散热器热阻之间的关系曲线。由图11可知，采用散热效果好的散热器，即等效热阻小，可有效提高LED光源的寿命。为实现相同的50,000小时寿命，相较于B₁₀寿命标准，B₁寿命标准对散热器性能要求更高，其等效热阻最大值为51.5℃/W，而B₁₀寿命标准下可采用的散热器等效热阻最大值为76.2℃/W。图11可为LED照明设计提供散热参考，每个LED应根据其实际运行环境和可靠性要求，选择合适的散热器。

单个LED的照明亮度难以满足大部分场合需要，此处选用18个相同型号的LED串联，进行街灯照明实验，实验地点分别为丹麦奥尔堡市和新加坡，两地的环境温度如图10所示，差别较大。LED驱动电流为0.7A，工作时间为每天19:00至次日5:00，采用L₇₀标准，其预测的寿命B₁₀和热阻曲线如图12。由图12可知LED的环境温度对其寿命具有较大影响，温度高，其寿命短。为达到相同的50,000小时寿命，同一盏路灯工作在新加坡和奥尔堡所需的散热器并不相同。因此，LED照明应根据不同的使用环境分别提出相对应的热管理方案以提高LED照明系统的寿命和可靠性。