智能LED燈具可靠性測試與評價方法探討

李林先，徐紅梅，白金鵬，周葉杰西，金立江，陳 琪，陸佳杰

(浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018)

引言

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)越來越重視家居生活中產(chǎn)生的信息流，以及如何讓這些信息流更好地服務(wù)生活[1]。智能LED燈具，作為智能家居的重要組成部分，正逐步走入日常生活。國內(nèi)外燈具廠商高度重視智能LED燈具產(chǎn)品市場，投入人力物力研發(fā)智能LED產(chǎn)品及其控制系統(tǒng)，進(jìn)一步推動智能LED燈具產(chǎn)品更廣泛的應(yīng)用[2]。研究智能LED燈具可靠性評價關(guān)鍵技術(shù)，制定科學(xué)可行的可靠性測試流程，使智能LED燈具產(chǎn)品的性能退化評估和可靠性測試現(xiàn)實可行，這將有效地規(guī)范智能LED燈具產(chǎn)品的性能評估和可靠性測試，對提高智能LED燈具產(chǎn)品質(zhì)量和促進(jìn)智能家居產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有重大意義。

1 智能LED燈具的分類

ANSI/VITA 51.2《失效物理可靠性預(yù)計》中可靠性預(yù)測可評估方法提到的影響因素包括：溫度(溫升值)、有害性、產(chǎn)品本身的電磁兼容特性、沖擊和振動特性、電壓電流特性、環(huán)境溫濕度、電源供應(yīng)、穩(wěn)定性、試驗過程穩(wěn)定性、測試數(shù)據(jù)的可靠性等[5，6]。結(jié)合智能LED燈具本身特性，本文主要針對智能LED燈具可靠性中的燈具壽命、安全特性(溫升和故障狀態(tài))、故障率，以及電磁兼容可靠性試驗等相關(guān)直觀參數(shù)進(jìn)行討論。

在現(xiàn)實應(yīng)用過程中，智能LED燈具按照實現(xiàn)原理可分為三類：

1)調(diào)光類智能LED燈具(例如：調(diào)光0%～100%)，該類燈具主要是通過控制輸出端電流或電壓來實現(xiàn)LED燈珠的發(fā)光強(qiáng)度。

2)調(diào)色溫類智能LED燈具(同一燈具的不同色溫切換)，該類燈具是通過開關(guān)控制燈具內(nèi)不同色溫的LED芯片的切換來達(dá)到色溫不同的切換功能。這種色溫切換型式更像是兩種不同色溫?zé)艟叩囊粋€集成體，其智能控制主要依賴于兩路或多路電源輸出的切換來實現(xiàn)色溫的變換。

3)調(diào)顏色類智能LED燈具(RGBW等混色燈具多用于舞臺、場景照明等場合)，這類調(diào)色燈具主要是通過單顆多色LED芯片通過調(diào)光控制器進(jìn)行調(diào)色切換[3]。與調(diào)色溫智能LED燈具的區(qū)別主要在于調(diào)色類LED芯片中含有紅色、藍(lán)色、綠色以及增加白光PN結(jié)，通過不同的LED芯片引腳來實現(xiàn)不同的顏色激發(fā)；而調(diào)色溫的LED燈具是通過兩顆或多顆獨立色溫的LED芯片來實現(xiàn)色溫轉(zhuǎn)變。因此，在這種調(diào)色過程中，其LED控制裝置(驅(qū)動電源)輸出線路帶有多種信號輸出與同正極、多負(fù)極的形式達(dá)到調(diào)控顏色的目的。

2 光通維持率壽命驗證方法

可靠性研究過程中，產(chǎn)品的預(yù)期壽命是主要的一種指標(biāo)。由于產(chǎn)品的本身特性決定其壽命可能長達(dá)十年或者幾十年，傳統(tǒng)的直接測試法存在耗時長、成本高、數(shù)據(jù)重復(fù)性沒有表征性，而導(dǎo)致壽命與故障率測試成為困難。目前，對于智能LED燈具產(chǎn)品的壽命預(yù)測技術(shù)，常見的標(biāo)準(zhǔn)主要有：IEEE 1413標(biāo)準(zhǔn)《電子系統(tǒng)及裝備可靠性預(yù)測和評估的標(biāo)準(zhǔn)方法》和ANSI/VITA 51.2《失效物理可靠性預(yù)計》，依據(jù)不同產(chǎn)品的表征數(shù)據(jù)對不同產(chǎn)品壽命進(jìn)行預(yù)測，在有限的數(shù)據(jù)量情況下實現(xiàn)模型表征電產(chǎn)品的物理化學(xué)變化，實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性預(yù)測與評估[5，6]。

在可靠性測試過程中，針對以上三種不同形式的智能LED燈具，在GB/T 33721—2017和IES LM-80現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加符合智能LED燈具本身實際情況的條件進(jìn)行測試(樣品數(shù)量為10個)。若燈具所采用的LED芯片已經(jīng)獲得LM-80測試報告，那么可參考采用1 000 h間接測試方法進(jìn)行壽命驗證試驗。若燈具所采用的LED芯片未獲得LM-80測試報告，那么需參考采用6 000 h間接測試方法進(jìn)行壽命驗證試驗。試驗流程按照圖1所示的流程進(jìn)行。

表1 二次光學(xué)材料光衰ΔLo的典型估計值[7]

圖1 試驗方法選擇流程圖[7]Fig.1 Selection flowchart of test method

2.1 測試條件

試驗樣品應(yīng)在制造商聲稱的工作條件和性能工作溫度tq±2 ℃下進(jìn)行。并測定圖1中判定是否可以采用1 000 h間接法的參數(shù)指標(biāo)芯片的溫度ts′、電流It′，并對所檢樣品二次光學(xué)材料進(jìn)行判定。在測試過程中，針對不同智能LED燈具產(chǎn)品進(jìn)行不同的模擬操作。

1)調(diào)光類智能LED燈具。無線控制類調(diào)光燈具，采用模擬信號輸入的方法，對智能LED燈具產(chǎn)品調(diào)光調(diào)控，模擬信號的輸入應(yīng)保證在制造商聲明的調(diào)光速度與調(diào)光范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)式信號輸出，保證調(diào)光類智能LED燈具滿足其調(diào)光范圍內(nèi)循環(huán)重復(fù)進(jìn)行。機(jī)械類調(diào)光燈具，采用模擬操作的方式進(jìn)行調(diào)光測試，調(diào)光開關(guān)應(yīng)外接與測試環(huán)境外，防止對樣品本身測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響(注：若無聲稱調(diào)光速度說明，則按照20%/s調(diào)光速度進(jìn)行)。

2)調(diào)色溫類智能LED燈具。對智能LED燈具產(chǎn)品調(diào)色溫調(diào)控不論是機(jī)械類還是信號輸入調(diào)控，按照制造商所提供的開關(guān)調(diào)整色溫速率對燈具樣品進(jìn)行開關(guān)切換動作循環(huán)，使得樣品在不同色溫切換的條件下進(jìn)行試驗。

3)調(diào)色類智能LED燈具。這類RGBW多種顏色不斷切換并伴隨亮度的燈具，擬采用顏色切換的循環(huán)方式(顏色依次變換加全功率運(yùn)作作為一個循環(huán)，循環(huán)頻率為5次/min)進(jìn)行壽命試驗。

2.2 壽命驗證試驗

目前已報道的LED芯片光通量衰減案例基本符合自然指數(shù)規(guī)律，而該試驗方法正是基于燈具流明衰減符合自然指數(shù)規(guī)律，故而按照GB/T 33721—2017中關(guān)于壽命驗證試驗方法是可靠可行的。本文在國標(biāo)基礎(chǔ)上增加了壽命驗證過程中的調(diào)光，調(diào)色溫以及調(diào)整燈光顏色的操作循環(huán)，并對試驗過程中故障率以及電參數(shù)變化進(jìn)行了評估。

1 000 h加速試驗方法和6 000 h 試驗方法，均建立在GB/T 33721—2017中關(guān)于壽命驗證試驗基礎(chǔ)上，實驗條件進(jìn)行過程中，不同種類燈具添加本文的模擬操作。1 000 h依據(jù)表2進(jìn)行，燈具最終測試參數(shù)應(yīng)符合表2中的各項要求。

若需進(jìn)行6 000 h直接法壽命驗證試驗中燈具在燈具制造商聲稱的工作條件和性能工作溫度tq/tqmax±2 ℃下工作。試驗時間為至少6 000 h，對于聲稱50 000 h的智能LED燈具，測試時間可酌情延長至10 000 h。對于超過50 000 h壽命的樣品可酌情增加試驗時間。在測試過程中每隔1 000 h測量一次光通量。擬合數(shù)據(jù)與光通維持率的計算方法，參考GB/T 33721 《LED燈具可靠性試驗方法》中關(guān)于6 000 h光通維持率的壽命試驗擬合方法。

試驗期間，企業(yè)聲稱的光通維持壽命不應(yīng)超過預(yù)測光通維持壽命則判定壽命驗證試驗合格，其各項指標(biāo)應(yīng)符合表2中的要求，則產(chǎn)品光通維持性能判定符合燈具宣稱壽命的要求。

表2 實驗條件和考核指標(biāo)[7]

3 安全特性測試評價方法

目前的LED控制裝置，在檢測過程中，標(biāo)準(zhǔn)條款中關(guān)于智能控制部分限制條款存在一定的缺失，而我們實驗過程中，對于調(diào)光、調(diào)色溫、調(diào)顏色的這類控制裝置，試驗項目中多為在穩(wěn)態(tài)狀況下對其安全性能進(jìn)行測試，本部分在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提出一種針對具有調(diào)控電路的控制部分的要求與試驗方法。

3.1 調(diào)控開關(guān)電磁電容測試評價

調(diào)控開關(guān)多數(shù)會使得調(diào)控電路電容元件以及MOS管等元件斷開是否充分造成影響。而目前的認(rèn)證檢測過程中多數(shù)電磁兼容測試過程中多為穩(wěn)態(tài)測試，未考慮到調(diào)控開關(guān)過程中造成的電磁脈沖狀態(tài)或者其他電磁兼容限制問題。對于調(diào)控開關(guān)動作是否會對電磁兼容試驗造成影響，開關(guān)試驗是否存在電沖擊或者放電異?，F(xiàn)象，這部分還未被生產(chǎn)企業(yè)所重視。雖然在GB/T 18595—2014標(biāo)準(zhǔn)中提到對快速瞬變進(jìn)行試驗，但是只針對智能LED燈具中的信號/控制端口進(jìn)行試驗操作，所規(guī)定的試驗電壓0.5kV對于部分智能LED燈具的控制器有的是無法承受的。故而，基于GB/T 18595—2014的快速瞬變要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，再按照GB/T 17626.4—2018的試驗方法進(jìn)行[8，9]。

表3 快速瞬變試驗等級表[8]

注：該部分重復(fù)頻率和上升時間/持續(xù)時間/下降時間參數(shù)值如果生產(chǎn)廠聲稱值大于動作時間1 s，可適當(dāng)減少重復(fù)頻率增加試驗中上升時間/持續(xù)時間/下降時間以保證樣品正常調(diào)控開關(guān)切換

3.2 調(diào)控開關(guān)可靠性試驗

通常的智能LED燈具不光是具有調(diào)光、調(diào)色溫、調(diào)整顏色三種中的單獨一種功能，而是更趨向于三種調(diào)控集成在一起的情況。故而，在該部分試驗考慮中，應(yīng)將可以同時打開的功能同時工作，例如調(diào)光的過程中，顏色也在逐漸調(diào)整。在這樣的設(shè)置條件下，進(jìn)行LED控制裝置的故障狀態(tài)試驗和GB 7000.1中的耐久性熱試驗[10]。

GB/T 33721—2017標(biāo)準(zhǔn)的電源開關(guān)實驗中，開關(guān)試驗采用的是30 s開和30 s關(guān)的狀態(tài)，而對于目前的智能LED燈具來說，開關(guān)不僅僅作為一種電源通斷的控制手段，它同時是作為了色溫變化或者顏色變化的一種信號輸入方式。但是在30 s開和30 s關(guān)的試驗條件下，一般智能LED燈具不會進(jìn)行色溫變化，因為在LED控制裝置部分的信號切換中，斷電時間過長會導(dǎo)致色溫或顏色無法切換的出現(xiàn)。

本文考慮到該情況的出現(xiàn)不利于智能LED燈具產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)控開關(guān)試驗，綜合不同原理的調(diào)控開關(guān)問題，開關(guān)試驗采用2 s開和2 s斷的方式進(jìn)行試驗，試驗樣本采用10個，試驗結(jié)果考核主要考核兩個參數(shù)：燈具和LED控制裝置的溫升變化和故障率。循環(huán)次數(shù)采用LED燈具所聲稱的壽命的一半，如若無聲稱則進(jìn)行15 000次試驗。對于調(diào)光類型的調(diào)控開關(guān)，實驗次數(shù)與開關(guān)試驗次數(shù)相同，按照0%→100%→0%的循環(huán)，循環(huán)一次周期為10 s。

表4 熱試驗實驗條件和考核指標(biāo)

試驗后，樣品應(yīng)無明顯損害，且按照GB/T 9468—2008的測試所得光通量相較于初始光通量變化不超過10%，則認(rèn)為試驗通過。在GB7000.1中的耐久性熱試驗過程中，增加上述調(diào)控關(guān)通斷操作，并且在試驗結(jié)束后，其不同模式下不會出現(xiàn)溫升超過限值現(xiàn)場和發(fā)生危害情況。

在基于GB 19510.1故障狀態(tài)的條件下，本文考慮增加在開關(guān)通斷狀態(tài)下，是否存在電容放電不可控現(xiàn)象，輸入或輸出端電壓是否超過標(biāo)準(zhǔn)要求的50 V[11]。在故障狀態(tài)試驗過程中擬增加調(diào)控開關(guān)可能存在的異常操作或信號輸入錯誤的條件下，是否存在零部件發(fā)生過熱自然或者放出可燃?xì)怏w，此處采用高頻火花發(fā)生器進(jìn)行可燃?xì)怏w檢測，并在實驗過程中將薄棉紙包裹線路板操作故障狀態(tài)從而檢測是否造成安全危害。

4 結(jié)束語

智能LED燈具產(chǎn)品可靠性檢測是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注的熱點。本文介紹了智能LED燈具的分類，結(jié)合IEEE 1413和ANSI/VITA 51.2，在GB/T 33721、GB 7000、GB 19510等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，探討了智能LED燈具產(chǎn)品的光通維持率壽命驗證方法以及安全特性測試評價方法。但是本文提出的智能LED燈具可靠性測試只針對LED燈具實體可靠性測試，其信息安全性考量與測試不在測試范圍內(nèi)。隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，智能LED燈具產(chǎn)品可靠性檢測技術(shù)也會越來越集成化和完善化，這將為產(chǎn)品可靠性水平的進(jìn)一步提高提供參考依據(jù)。