開關(guān)電源廠對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源失效分析
相對(duì)于LED光源來說，LED驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要權(quán)衡的地方會(huì)更多，使得LED驅(qū)動(dòng)電源往往比LED光源先失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整燈失效中超過80%的原因是電源出現(xiàn)了故障。導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源失效的原因很多，可歸納為以下幾大類。
1、電子元器件老化
包括電阻、電容、二極管、三極管、LED、連接器、IC等器件開路、短路、燒毀、漏電、功能失效、電參數(shù)不合格、非穩(wěn)定失效等各種失效問題。
2、PCB質(zhì)量問題
包括PCB、PCBA潤濕不良、爆板、分層、CAF、開路、短路等等各種失效問題。
3、LED電源散熱不良
驅(qū)動(dòng)電路由電子元件組成，少數(shù)元件對(duì)溫度非常敏感。如電解電容，通行的電解電容壽命估算公式為“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，散熱不良很可能導(dǎo)致其壽命大大縮短，提前失效，致使LED電壓出現(xiàn)故障，燈具失效。尤其是對(duì)于內(nèi)置式電源(放在整燈內(nèi)的電源)，發(fā)熱量大的電源會(huì)增加整燈的導(dǎo)熱、散熱壓力，LED的溫度將升高，其光效和壽命將大大降低。所以在設(shè)計(jì)LED電源時(shí)，就應(yīng)該重視其自身的散熱問題。因此在開始設(shè)計(jì)燈具初期進(jìn)行評(píng)估，電源的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，就能解決以上問題。在設(shè)計(jì)中要綜合考慮LED的散熱和電源的散熱，整體控制燈具的升溫，這樣才能設(shè)計(jì)出較好的燈具。
4、電源設(shè)計(jì)中的問題
(1)功率設(shè)計(jì)。雖然LED光效高，但是還有80%～85%的熱能損耗，致使燈具內(nèi)部有20～30K的溫升，如果室溫在25℃，燈具內(nèi)部則有45～55℃，電源長時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，要保證壽命就必須加大功率裕量，一般留存1.5～2倍的裕量。
(2)元件選型。燈具內(nèi)部溫度在45～55℃時(shí)，電源內(nèi)部溫升還有20℃左右，則元件附件的溫度要達(dá)到65～75℃。有些元件在高溫時(shí)參數(shù)會(huì)漂移，甚至壽命會(huì)縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長時(shí)間使用的，還要特別注意電解電容和導(dǎo)線。
(3)電性能設(shè)計(jì)。開關(guān)電源針對(duì)LED的參數(shù)設(shè)計(jì)，主要是恒流參數(shù)，電流的大小決定LED的亮度，如果批量電流誤差較大，則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在±5%以內(nèi)，才能保證燈的亮度一致，LED的正向壓降有偏差，電源設(shè)計(jì)的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個(gè)LED串聯(lián)使用時(shí)，最小壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為下限電壓，最大壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為上限電壓，電源的恒流電壓范圍要比這個(gè)范圍稍寬些，一般上下限各留1～2V裕量。
(4)PCB布板設(shè)計(jì)。LED燈具留給電源的尺寸較小(除非電源是外置的)，所以在PCB設(shè)計(jì)上要求較高，要考慮的因素也較多。安全距離要留夠，要求輸入和輸出隔離的電源，一次側(cè)電路和二次側(cè)電路要求耐壓1500～2500VAC，在PCB上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具，則整個(gè)電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣，比如在PCB上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量均衡，發(fā)熱元件要均勻分布，不能集中放置，避免局部溫度升高。電解電容遠(yuǎn)離熱源，減緩老化，延長使用壽命。
5、雷擊損壞
雷擊是一種常見的自然現(xiàn)象，特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計(jì)。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強(qiáng)，一般電源是無法承受的，故這里主要討論的是間接雷型。
雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波，屬于瞬變干擾，可以是浪涌電壓，也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑(傳導(dǎo)雷)或通過電磁場(感應(yīng)雷)而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生致命的影響，其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般電子器件的電性應(yīng)力，導(dǎo)致的直接結(jié)果是電子元件損壞。
6、電網(wǎng)電壓超出電源負(fù)荷
當(dāng)同一個(gè)變壓器電網(wǎng)支路配線太長，支路中有大型動(dòng)力設(shè)備時(shí)，在大型設(shè)備啟停時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)劇烈波動(dòng)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)。當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)電壓超過310 VAC時(shí)有可能損壞驅(qū)動(dòng)器(即使有防雷裝置也無效，因?yàn)榉览籽b置是應(yīng)對(duì)幾十微秒級(jí)別的脈沖尖峰，而電網(wǎng)波動(dòng)可能達(dá)到幾十毫秒，甚至幾百毫秒)。因此，路燈照明支路電網(wǎng)上有大型電力機(jī)械時(shí)要特別注意，最好監(jiān)測(cè)下電網(wǎng)波動(dòng)幅度，或者由單獨(dú)電網(wǎng)變壓器供電。
7、焊點(diǎn)失效
電源封裝主要涉及PCB板與元器件之間的連接工序，其中焊點(diǎn)扮演者重要的角色。焊點(diǎn)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電子元器件與基板(LED電源中針對(duì)的是PCB板)的機(jī)械連接和電氣連接，焊點(diǎn)質(zhì)量嚴(yán)重影響著器件的可靠性。焊點(diǎn)失效一方面來自于生產(chǎn)裝配中的焊接故障，如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現(xiàn)象。另一方面是在服役過程中，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于元器件與PCB板存在熱膨脹系數(shù)差，在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力的周期性變化會(huì)造成焊點(diǎn)的疲勞損傷，最終導(dǎo)致疲勞失效。
1、電子元器件老化
包括電阻、電容、二極管、三極管、LED、連接器、IC等器件開路、短路、燒毀、漏電、功能失效、電參數(shù)不合格、非穩(wěn)定失效等各種失效問題。
2、PCB質(zhì)量問題
包括PCB、PCBA潤濕不良、爆板、分層、CAF、開路、短路等等各種失效問題。
3、LED電源散熱不良
驅(qū)動(dòng)電路由電子元件組成，少數(shù)元件對(duì)溫度非常敏感。如電解電容，通行的電解電容壽命估算公式為“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，散熱不良很可能導(dǎo)致其壽命大大縮短，提前失效，致使LED電壓出現(xiàn)故障，燈具失效。尤其是對(duì)于內(nèi)置式電源(放在整燈內(nèi)的電源)，發(fā)熱量大的電源會(huì)增加整燈的導(dǎo)熱、散熱壓力，LED的溫度將升高，其光效和壽命將大大降低。所以在設(shè)計(jì)LED電源時(shí)，就應(yīng)該重視其自身的散熱問題。因此在開始設(shè)計(jì)燈具初期進(jìn)行評(píng)估，電源的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，就能解決以上問題。在設(shè)計(jì)中要綜合考慮LED的散熱和電源的散熱，整體控制燈具的升溫，這樣才能設(shè)計(jì)出較好的燈具。
4、電源設(shè)計(jì)中的問題
(1)功率設(shè)計(jì)。雖然LED光效高，但是還有80%～85%的熱能損耗，致使燈具內(nèi)部有20～30K的溫升，如果室溫在25℃，燈具內(nèi)部則有45～55℃，電源長時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，要保證壽命就必須加大功率裕量，一般留存1.5～2倍的裕量。
(2)元件選型。燈具內(nèi)部溫度在45～55℃時(shí)，電源內(nèi)部溫升還有20℃左右，則元件附件的溫度要達(dá)到65～75℃。有些元件在高溫時(shí)參數(shù)會(huì)漂移，甚至壽命會(huì)縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長時(shí)間使用的，還要特別注意電解電容和導(dǎo)線。
(3)電性能設(shè)計(jì)。開關(guān)電源針對(duì)LED的參數(shù)設(shè)計(jì)，主要是恒流參數(shù)，電流的大小決定LED的亮度，如果批量電流誤差較大，則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在±5%以內(nèi)，才能保證燈的亮度一致，LED的正向壓降有偏差，電源設(shè)計(jì)的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個(gè)LED串聯(lián)使用時(shí)，最小壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為下限電壓，最大壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為上限電壓，電源的恒流電壓范圍要比這個(gè)范圍稍寬些，一般上下限各留1～2V裕量。
(4)PCB布板設(shè)計(jì)。LED燈具留給電源的尺寸較小(除非電源是外置的)，所以在PCB設(shè)計(jì)上要求較高，要考慮的因素也較多。安全距離要留夠，要求輸入和輸出隔離的電源，一次側(cè)電路和二次側(cè)電路要求耐壓1500～2500VAC，在PCB上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具，則整個(gè)電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣，比如在PCB上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量均衡，發(fā)熱元件要均勻分布，不能集中放置，避免局部溫度升高。電解電容遠(yuǎn)離熱源，減緩老化，延長使用壽命。
5、雷擊損壞
雷擊是一種常見的自然現(xiàn)象，特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計(jì)。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強(qiáng)，一般電源是無法承受的，故這里主要討論的是間接雷型。
雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波，屬于瞬變干擾，可以是浪涌電壓，也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑(傳導(dǎo)雷)或通過電磁場(感應(yīng)雷)而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生致命的影響，其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般電子器件的電性應(yīng)力，導(dǎo)致的直接結(jié)果是電子元件損壞。
6、電網(wǎng)電壓超出電源負(fù)荷
當(dāng)同一個(gè)變壓器電網(wǎng)支路配線太長，支路中有大型動(dòng)力設(shè)備時(shí)，在大型設(shè)備啟停時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)劇烈波動(dòng)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)。當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)電壓超過310 VAC時(shí)有可能損壞驅(qū)動(dòng)器(即使有防雷裝置也無效，因?yàn)榉览籽b置是應(yīng)對(duì)幾十微秒級(jí)別的脈沖尖峰，而電網(wǎng)波動(dòng)可能達(dá)到幾十毫秒，甚至幾百毫秒)。因此，路燈照明支路電網(wǎng)上有大型電力機(jī)械時(shí)要特別注意，最好監(jiān)測(cè)下電網(wǎng)波動(dòng)幅度，或者由單獨(dú)電網(wǎng)變壓器供電。
7、焊點(diǎn)失效
電源封裝主要涉及PCB板與元器件之間的連接工序，其中焊點(diǎn)扮演者重要的角色。焊點(diǎn)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電子元器件與基板(LED電源中針對(duì)的是PCB板)的機(jī)械連接和電氣連接，焊點(diǎn)質(zhì)量嚴(yán)重影響著器件的可靠性。焊點(diǎn)失效一方面來自于生產(chǎn)裝配中的焊接故障，如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現(xiàn)象。另一方面是在服役過程中，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于元器件與PCB板存在熱膨脹系數(shù)差，在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，應(yīng)力的周期性變化會(huì)造成焊點(diǎn)的疲勞損傷，最終導(dǎo)致疲勞失效。
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