LED照明技術在工業和商業應用中的進步需要低成本，堅固耐用且可靠的電源，以便在極端條件下提供長使用壽命。為了實現這些目標，必須了解所有組件的可靠性和壽命特性，并在設計過程中采用適當的考慮因素。

氣體放電照明多年來一直是商業和工業環境中的主要照明技術。然而，LED照明現已成為一個重要的競爭對手。 LED照明的兩個主要優點是使用壽命長，維護成本低。隨著更多系統在世界各地推出，這些優勢證明了它們的價值，燈后面的電子驅動器必須可靠并且能夠運行多年。 LED驅動器設計需要平衡許多妥協，但一個不良的元件選擇可能會在現場造成災難性后果。

圖1：商用LED照明系統的元件（系統壽命= 50，000小時）基于LED的照明系統由電源，LED發光器和燈具組成（圖1）。系統的使用壽命取決于該系統中任何組件的最短壽命。

電源由許多組件構成，每個組件都有自己的磨損機制和隨之而來的壽命限制。圖2給出了LED系統中主要元件壽命的細分。

對于所有實際應用，控制器和其他半導體元件沒有壽命限制。 LED系統的壽命主要由LED和電容器決定;本文將重點介紹這些組件。

從表面上看，電解電容器的使用壽命似乎太短，無法用于任何專業應用。但是，額定壽命在最高工作溫度下指定。如果電容器的工作電壓明顯低于最大額定值，則壽命會大很多倍。

圖2：決定LED系統壽命的主要因素。

壽命和平均時間故障之間

在考慮系統可靠性時，壽命和平均故障間隔時間（MTBF）具有非常不同的含義。這些的常見類比是“浴缸”曲線。在浴缸開始時，故障率非常高。這些失敗被稱為“嬰兒死亡率”失敗。任何制造商的目標是確保在產品出廠前檢測并篩選出所有嬰兒死亡率故障。浴缸的長底是產品的使用壽命。在此期間的任何失敗都被稱為“流氓”失敗。這一時期的失敗率應該很低，并由MTBF定義。在浴缸的另一端，由于“磨損”故障的發生，故障率開始上升。磨損不一定是災難性的失敗 - 它可能是初始規格之外的組件參數的穩定漂移。在某一時刻，磨損故障的發生率超過了可接受的水平，系統的使用壽命已經達到。

一個已知磨損機制的部件在一段時間后會出現故障的操作。但是，這并未說明服務期間組件的可靠性。在磨損機構生效之前，該部件可以表現出示例性的可靠性水平。磨損機制的存在并不意味著組件必然是一個壞組件或技術 - 它只是一個適合目的的情況。對此的一個很好的例證是白熾燈和LED燈的比較白熾燈發生災難性故障。另一方面，LED會隨著時間的推移而減少光輸出，而不是完全失效。

壽命：

產品滿足規定操作限制的預期使用壽命

例如，白熾燈泡

1000小時的使用壽命

超過1，000小時，燈絲斷裂，產品（明顯）不再符合操作要求

例如，LED燈

35，000小時壽命（L70）

光輸出在整個壽命期間會降低，直到35，000小時已減少到初始值的70％

超過35，000小時，LED仍可正常工作但性能下降

MTBF：

故障之間的設備操作

操作1臺設備100，000小時或10，000臺設備10小時會產生相同的故障預期

LED照明燈具的MTBF等于所有單個組件的MTBF總和

例如，白熾燈泡

MTBF 》》 100，000小時

每十億小時運行失敗的時間（FIT）失敗

對于LED，壽命終止取決于光輸出下降到初始指定水平百分比的小時數。

MTBF完全不同，同樣適用于白熾燈和LED燈。它是在使用壽命期間發生的隨機或流氓故障級別，定義為任何單個設備發生故障的平均時間。對于單個燈泡，您可以在失敗前等待100，000小時。這顯然比壽命長得多，所以看起來似乎是無稽之談。但是，如果您安裝了100，000個燈泡，例如城市街道照明系統，那么您會發現每個小時都有一個燈泡發生故障。 MTBF在大型系統或許多組件的組件方面具有重要意義。

MTBF在設計LED驅動器等系統時的意義在于系統故障的概率是故障概率的總和。每個組件。簡而言之，如果減少組件數量，系統將更加可靠。

MTBF和使用壽命都會受到應用和使用的影響。這可以追溯到第二次世界大戰和第一臺破紀錄的計算機Colossus的開發。該機器需要使用1，500個熱電子閥，并且在首次提出時，該設計的批評者表示它將永遠不會繼續工作足夠長時間來解碼單個消息。其中一個閥門總會失效。然而，設計的支持者，名叫Tommy Flowers的工程師知道，如果你連續操作熱離子閥門（即，從不關閉它們），它們將表現出長而可靠的壽命 - 事實證明是這種情況。今天的燈泡也是如此。

計算可靠性

其中：R（t）作為時間函數的可靠性MTBF平均故障間隔時間λ，故障率故障數在1，000，000小時內預測T溫度A，B經驗常數

組件的故障率和壽命隨溫度而變化。這一事實構成了部件降額的基礎。故障率隨溫度的變化被稱為“加速因子”，并且對于每種組件技術而言是不同的。圖3顯示了許多組件類型的故障率與溫度的關系。

曲線所基于的方程稱為Arrhenius方程。它們最初用于計算化學反應速率隨溫度的變化。今天應用于電子元件的特性曲線主要基于經驗數據這些曲線既可用于故障率，也可用于壽命預測，但必須記住，任何給定技術的故障率和壽命都有很大不同的加速因子。

LED的壽命結束前面已經注意到LED的壽命取決于光輸出的下降。如圖4所示。

圖3：故障率與溫度的關系來源：MIL-HDBK-217F。

電感器Tj - 熱點溫度

晶體管N溝道和P-溝道Si FET，f 《= 400 MHzΛp=故障率 - 每百萬小時故障

πT=溫度系數

圖4：LED光輸出隨時間下降。ENERGYSTAR?SSL標準V.1.1規定了最低壽命流明維持率，L70 25，000小時住宅35，000小時商用

為符合ENERGY STAR SSL標準V1.1.1，在商業應用中，LED燈必須至少排放70％服務35，000小時后的原始指定光輸出。如Arrhenius方程所示，壽命預測隨溫度而變化。因此，燈具制造商可以通過降低結溫來延長LED的預期使用壽命（圖5）。

圖5：驅動電流對結溫和使用壽命的影響。

燈制造商可以通過以較低電流驅動LED或通過增加冷卻來降低結溫來延長預期使用壽命。相同的原理適用于電源中的所有組件。

在LED之后，要關注的主要組件類型是電容器。電源設計人員可以使用幾種不同的電容器技術，如圖6所示。鋁電解電容器在電子系統中應用非常廣泛，因為它們成本低，每單位體積電容高，具有良好的紋波電流性能，可以承受瞬態過電壓而不會發生災難性故障。

圖6：不同電容器技術的比較。然而，近年來廣泛宣傳的電容器問題導致重大產品召回問題引起了人們的關注在長壽命系統中使用鋁電解電容器的可行性。

在譴責鋁電解電容器之前，必須記住，替代技術沒有完全清潔的健康狀況。鉭和陶瓷電容器均表現出短路典型故障模式，這將始終阻止驅動器工作。陶瓷電容易受電壓瞬變的影響。鉭電容器具有有限的電壓范圍并且可能爆炸性地失效。

鋁電解電容器由于其結構而具有眾所周知的磨損機制。電容器含有電解質，通常是水溶液中的硼酸或硼酸鈉，以及各種糖或乙二醇和各種“秘密”成分。乙二醇的目的是限制電解液的蒸發，鋁電解質的缺陷以及它們有限壽命的原因。但是要知道電容器的壽命特性（圖7），可以延長使用壽命。通過降低工作溫度來延長壽命。上述公式的影響是，在溫度每降低10°C，預期壽命就會翻倍。例如，在105°C下額定工作5000小時的電容器在75°C時的預期壽命為40，000小時。

圖7：鋁電解電容器的溫度壽命。

另一要考慮的因素是電解電容器在使用壽命結束時不會發生災難性故障。隨著電解質蒸發，電容器的特性發生變化，電容下降，并且耗散和漏電流會增加。電容器的壽命（如圖7所示）通常定義為電容從其初始值變化超過25％的時間。如果系統設計人員考慮到使用壽命期間特性的預期變化，則LED燈在壽命結束時仍應亮起。主要變化是通過LED的紋波電流增加。用戶不會觀察到這種情況，但會導致LED內的功耗增加，并可能導致其最終失效。

實現高可靠性和長壽命的關鍵是良好的熱管理。必須考慮最終用途;例如，嵌入式照明與外露式照明設備。在測試原型時，必須在最壞情況的最終使用條件下測量電容器外殼溫度，并根據電容器供應商的規格進行檢查。必要時，必須選擇更高溫度或更長壽命規格的電容器。

電源設計人員在從信譽良好的供應商處選擇正確指定的電容器并應用適當的降額因子時，可以放心使用鋁電解電容器。實踐中的一個例子是圖8中的650流明LED燈該燈在外殼內部裝有一個大型散熱器，以保持較低的元件溫度。該設計采用電解電容器;然而，制造商最近根據他們收集的良好的現場可靠性數據將保修期從三年延長到五年。

圖8：650流明燈具有良好的熱管理，可延長使用壽命。

無電解設計

盡管如此，系統設計人員仍然可以在不使用鋁電解的情況下設計電源。這有什么影響以及設計師有哪些替代方案？電容器用于電源的多個位置（圖9）。

圖9：在LED驅動器中使用電容器。

電解電容器通常用于以下位置：

IC去耦

IC輔助輸出濾波器

峰值檢測器濾波器

輸出濾波器

另一個功能通常需要非電解電容是輸入濾波電容。在單級功率因數（PF）校正驅動器中，輸入濾波器電容必須最小化（》1μF）以滿足高PF。由于需要高額定電壓并且與多層陶瓷電容相比成本更低，這有利于薄膜類型的使用。

對于低電流輔助輸出的IC去耦和濾波，在選擇陶瓷電容器時沒有性能折衷電解電容。然而，峰值檢測器和輸出濾波器的情況并非如此。

使用非電解電容器需要權衡，并且存在不同程度的挑戰。對于輸出電容，最大的挑戰是電容值，因為通常使用220μF至1000μF范圍內的電容。圖10顯示了更換相同值的單個鋁電解電池所需的陶瓷電容器數量。 br》如果在輸出端使用明顯更低的電容值，結果將是高頻和低頻紋波的增加（圖11）。

圖10：鋁電解電容器的容積效率電容。

圖11：輸出電容對紋波的影響（上部跡線：LED電流;下部跡線：LED電壓）。

增加的高頻開關紋波對用戶不可見，但確實如此增加LED的RMS功耗。這將對LED的使用壽命產生影響，并且可能需要以較低的電流運行，同時減少光輸出或使用更多的LED，或增加冷卻。

低輸出電容也會導致TRIAC調光應用中的重大損害。當燈變暗時，通過減小TRIAC的導通角，在沒有能量提供給轉換器的情況下有更長和更長的周期。在這些時段期間，維持LED發光的唯一能量是存儲在輸出電容器中的能量。由于陶瓷電容值較低，因此輸出電流降至零，LED熄滅。通過LED以交流線路頻率的兩倍發生紋波，這將被視為LED的閃爍，降低了所產生的光的感知質量，從而降低了最終用戶對整個產品的質量。

如果是陶瓷輸出電容器用于調光應用，必須接受較小的調光范圍，因為由于缺乏能量存儲，轉換器無法在較小的調光器導通角下保持工作。

峰值檢測

通常使用1μF電容器檢測整流的AC輸入峰值。由于高電壓，只有陶瓷，金屬膜或鋁電解電容器可用于此功能。對于0.22μF（高壓陶瓷）和相對低值的輸出電容，由于電容器的放電，在導通角處可能出現微調。這與電容的電壓系數相結合，電容電壓系數降低了電容值（在施加電壓時，在X7R電介質的額定電壓的100％下降至-60％）。一個微妙的考慮因素是線路浪涌事件所需的電容器額定電壓。差模線路浪涌事件具有指定的能量含量，其導致電容器兩端的電壓隨其值的增加而增加。因此，與鋁電解相比較低的電容值需要更高的額定電壓，以避免在相同幅度的浪涌事件中受到損壞。

兩個設計實例

為了說明這些注意事項在實踐中的影響，兩個類似的LED驅動器將審查設計。兩者都使用Power Integrations LNK403EG控制器IC。一種是按常規設計的，一種是在沒有任何鋁電解電容器的情況下設計的。圖12是使用LinkSwitch?PH LNK403EG的高效率（≥81％），高功率因數（》 0.9）TRIAC可調光7 WTYP LED驅動器的示意圖。 PI參考設計報告RDR-193中詳細描述了該設計。該驅動器被指定提供從90 - 265 VAC的21 VTYP 0.33 A輸出。

所使用的拓撲是在連續導通模式下工作的隔離反激。

輸出電流調節完全從初級側檢測，消除了需要二次側反饋組件。初級側無需外部電流檢測，因為這是在IC內部執行的，從而進一步減少了元件和損耗。內部控制器調節MOSFET占空比，以保持正弦輸入電流和高功率因數以及低諧波電流。初級側傳感設計消除了二次傳感配置中原本需要的20個組件。組件的減少對評估的MTBF產生了重大影響，從而產生了非常可靠，低成本的設計。

關鍵性能特征如下：

卓越的性能和最終用戶體驗

TRIAC調光器兼容（包括低成本前沿型）

無輸出閃爍

1000：1調光范圍

清潔單調啟動 - 無輸出閃爍

快速啟動-100（《100毫秒） - 沒有明顯的延遲

一致的調光性能單位

高效節能：115 VAC時≥81％， 230 VAC時≥82％

低成本，低元件數和小尺寸印刷電路板尺寸解決方案

無需電流檢測

頻率抖動較小，較低成本EMI濾波器組件

集成保護和可靠性功能

符合IEC 61000-4-5環形波，IEC 61000-3-2 C類諧波和EN55015 B傳導EMI

圖12：使用電解電容的7 W可調光LED驅動器示意圖（點擊圖片放大）。

圖13：原理圖用于7 W可調光LED驅動器，不使用電解電容器（點擊圖片放大）。相比之下，圖13是非電解設計。圖13是非電解電容器的示意圖，效率高（ ≥82％），高功率因數（》 0.9）TRIAC可調光7 WTYP LED驅動器使用LinkSwitch-PH LNK403EG。該驅動器被指定為90 - 265 VAC輸入提供18 VTYP 0.38 A輸出。

關鍵性能特征與圖12設計大致相同，但有一些區別：

調光范圍》 100：1對比》 1000：1

115 VAC時效率≥82％，230 VAC時效率≥85％，115 VAC時≥81％，230 VAC時≥82％

進行非電解設計的成本很低，但差異在于細節。圖14突出顯示了電容變化。

圖14：電容選擇的變化。

輸出濾波電容由4 x22μF陶瓷電容組成，代替2 x330μF電解電容。因此，總電容從660μF降至88μF。這會影響輸出紋波和調光性能，并且盡管價值較低，但會增加輸出電容的成本。

偏置電容采用10μF陶瓷代替22μF電解電容，IC旁路電容采用10μF陶瓷電容100μF電解液兩種替換都不需要任何性能折衷。

輸入電壓峰值檢測器電容由2 x 100 nF 500 V陶瓷代替1μF400V電解質組成。在微光和線路浪涌性能方面存在一些性能影響。

此設計練習的目的是保持電容器和電路板PCB面積的成本大致相同。為實現這些目標，總電容僅限于電解設計中使用的電容的20％。即使電容減小，陶瓷電容也要貴得多（相比電解電容大5倍）。從性能角度來看，輸出紋波性能可以看出其主要影響（圖15）

圖15：性能比較。

采用電解設計，輸出紋波為50％。通過LED的峰值電流較低，從而產生更理想的LED耗散（理想情況下為DC）。調光性能是最佳的，因為在整個TRIAC導通范圍內LED電流始終》 0。 LED光輸出中不存在線路頻率閃爍。

采用非電解設計，輸出紋波為100％。在每個線路周期期間，輸出電流降至零。隨著通過LED的峰值電流增加功耗（RMS功率），LED耗散相應地更高。調光性能受到影響。隨著TRIAC導通角范圍的減小，線路頻率閃爍變得非常明顯。 LED以兩倍的線路頻率產生頻閃光輸出（由于全波AC整流）。這些例子表明，可以在不使用鋁電解電容器的情況下設計具有競爭力的LED驅動器。然而，正如在所有模擬設計中一樣，沒有任何東西是免費的，并且必須在調光性能方面接受折衷。還必須更加注意LED的熱管理，但不應注銷鋁電解電容器。鋁電解仍然是一種非常廣泛使用的電容器技術，并且有充分的理由。如果選擇合適的規格電容器并在設計中理解并考慮其壽命特性，則會產生堅固，可靠且壽命長的LED驅動器。