基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)設(shè)計

吳杜雄 劉秀娟 周鋼

開發(fā)設(shè)計

基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)設(shè)計

吳杜雄1劉秀娟2周鋼3

（1.廣州賽西標(biāo)準(zhǔn)檢測研究院有限公司，廣東 廣州 510700 2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007 3.深圳賽西信息技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057）

可靠性壽命評估是LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中亟需解決的問題。設(shè)計一套模擬LED實際工作溫度、電流、電壓條件的壽命試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)恒溫加速壽命試驗的實時監(jiān)控、測量、保存數(shù)據(jù)等功能。通過相關(guān)試驗及評估不確定度，驗證該系統(tǒng)的可行性及有效性，有助于評估LED封裝、模塊、陣列的可靠性壽命，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量水平的提升。

LabVIEW；LED；可靠性壽命；光通維持率

0 引言

白光LED發(fā)光機(jī)理不同于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，長時間工作后，一般不會出現(xiàn)類似傳統(tǒng)光源的突然不亮現(xiàn)象，其光通量呈緩慢衰減趨勢。光通量衰減一般用光通維持率表征。光通維持率定義為“光源在規(guī)定條件下燃點，在壽命期間內(nèi)一特定時間光源所發(fā)出的光通量與初始光通量的比值”[1]，并將70%光通維持率的工作時間作為LED光通維持壽命，稱為70。

在不同溫度環(huán)境下，LED的光通維持壽命、顏色維持差異較大，因此對LED可靠性壽命及失效機(jī)理研究有重要的現(xiàn)實意義。目前，市場上LED壽命試驗設(shè)備的測量精度、可靠性、自動化程度等方面不盡如人意。為此，本文設(shè)計基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)，模擬LED實際工作溫度、電流、電壓條件，實現(xiàn)恒溫加速壽命試驗的實時監(jiān)控、測量、保存數(shù)據(jù)等功能。

1 試驗方法

LED理論壽命可達(dá)10萬小時，若采用其正常工作時直接測量光通量衰減到指定目標(biāo)值的方法，試驗時間過長，不利于LED推廣應(yīng)用。采用加速壽命試驗方法，可減少試驗時間。加速壽命試驗先利用加大應(yīng)力（熱應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等）的辦法，加快產(chǎn)品失效，縮短試驗時間；再運用加速壽命模型，估計產(chǎn)品在正常工作應(yīng)力下的可靠性特征量[2]。根據(jù)應(yīng)力改變方式不同，加速壽命試驗可分為恒定應(yīng)力加速壽命試驗、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗、序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗[3]。因恒定應(yīng)力加速壽命試驗更成熟、數(shù)據(jù)更易處理、外推精度較高，本文采用其評估LED的壽命可靠性特征量。

在不改變LED失效機(jī)理的前提下，通過加大溫度或電流可加快LED的光通量衰減速度。在相同失效概率下，若保持LED結(jié)溫不變，驅(qū)動電流越大，其壽命越短；若保持LED驅(qū)動電流不變，結(jié)溫越高，其壽命越短。由于電流加大導(dǎo)致LED發(fā)熱，使結(jié)溫升高，對LED失效機(jī)理影響較大，因此一般以溫度為應(yīng)力水平開展恒定應(yīng)力加速壽命試驗。在固定時間間隔測試LED光通量維持率，運用外推方法快速預(yù)測LED在正常條件下的壽命可靠性[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

國內(nèi)外LED壽命試驗的現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：LED通過以恒定溫度為單一應(yīng)力水平進(jìn)行固定時間加速壽命試驗，每隔一定時間用積分球光譜儀系統(tǒng)測試一次LED光通量維持率，運用阿倫尼烏斯模型分析推算LED在不同工作溫度下的壽命，如表1所示。

表1 LED壽命試驗的現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)

基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)模擬LED實際工作溫度、電流、電壓等條件，以滿足LED恒溫加速壽命試驗的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求。系統(tǒng)設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 硬件設(shè)計

基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)主要由計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、高溫箱、溫控系統(tǒng)、驅(qū)動電源等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。LED在不同燈具使用時，殼體溫度也不同，因此需要在不同殼體溫度下進(jìn)行加速壽命試驗。本系統(tǒng)配備3套硬件設(shè)備。

圖2 基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

計算機(jī)支持雙SAS/SATA HDD托架及LabVIEW安裝；配備2個500 GB硬盤，用于測量及備份試驗數(shù)據(jù)；配備12個USB接口及10個RS232接口，與硬件設(shè)備通訊；利用操作軟件實時監(jiān)控各個硬件設(shè)備工作狀態(tài)，自動記錄溫度、電流、電壓等試驗數(shù)據(jù)；具有異常狀態(tài)報警、形成試驗日志、自動識別故障、智能化工作、數(shù)據(jù)雙路備份、工作模式獨立等功能。

數(shù)據(jù)采集器是集測量功能和信號連接功能為一體的測試系統(tǒng)。3個模塊插槽均內(nèi)置于儀器后面，可允許數(shù)據(jù)采集或切換模塊的任何組合，同時具備數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)采集功能。其通過熱電偶及電線連接LED，監(jiān)測LED的殼體溫度、環(huán)境溫度、工作電流、工作電壓等。

高溫箱是為LED提供加熱并保持不同溫度環(huán)境的硬件設(shè)備，主要包括溫度探頭、制冷壓縮機(jī)、加熱風(fēng)機(jī)等，控制LED的環(huán)境溫度達(dá)到指定溫度值（室溫+20）℃～200℃，控溫精度為±0.3℃，溫度均勻度為±0.5℃。

溫控系統(tǒng)主要由散熱器、半導(dǎo)體制冷片、溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷控制電源等組成，采用全自動智能PID功率的控溫方式，控制LED的殼體溫度達(dá)到指定溫度值0℃～200℃，控溫精度為±0.1℃，可實現(xiàn)制冷與制熱模式的自動轉(zhuǎn)換。

驅(qū)動電源具有加速旋鈕與數(shù)字鍵盤2種輸入方式；恒壓和恒流2種輸出狀態(tài)；過壓、過流、過溫和短路等多重保護(hù)，為LED提供穩(wěn)定，分辨率為1 mA的工作電流或分辨率為1 mV的工作電壓。

2.2 軟件設(shè)計

在LED恒溫加速壽命試驗中，需監(jiān)測、測量、保存3種不同條件的LED殼體溫度、環(huán)境溫度、工作電流、工作電壓等試驗參數(shù)，每種參數(shù)至少包括 6 000 h的試驗數(shù)據(jù)。若采用人工操作，工作量較大。為保證數(shù)據(jù)采集器、高溫箱、溫控系統(tǒng)、驅(qū)動電源等設(shè)備同步工作，利用LabVIEW程序[5]編寫系統(tǒng)操作軟件。

系統(tǒng)操作軟件通過NI-VISA、串行接口USB、RS232控制各儀器設(shè)備，即計算機(jī)對儀器設(shè)備發(fā)出指令，儀器設(shè)備響應(yīng)并執(zhí)行指令，并向計算機(jī)反饋相應(yīng)參數(shù)。系統(tǒng)操作軟件根據(jù)儀器設(shè)備反饋的參數(shù)進(jìn)行分析判斷，如無異常情況則記錄相應(yīng)參數(shù)并繼續(xù)下一個指令；如有異常情況則發(fā)出指令切斷設(shè)備，報警并寫入運行日志。

系統(tǒng)操作軟件框架采用狀態(tài)機(jī)模型與Subpanl界面重用技術(shù)，減小代碼冗余，保證系統(tǒng)可靠性與可維護(hù)性。數(shù)據(jù)輸出采用帶制表符分隔的文本文件，方便使用Excel查閱；也可以使用記事本、寫字板、word等軟件查閱。數(shù)據(jù)采集器采用多路復(fù)用技術(shù)，所有通道為串行傳輸，其他儀器設(shè)備均為并行運行，彼此互不干擾。系統(tǒng)操作軟件的部分程序代碼如圖3所示。

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

為驗證本系統(tǒng)的可行性，按照ANSI/IES LM-80-20、ANSI/IES TM-21-19要求開展LED恒溫加速壽命試驗。挑選75個LED器件，分為3組，分別利用本系統(tǒng)控制LED殼體溫度為55℃、85℃、105℃且恒流150 mA條件下工作6 000 h。

在LED鋁基板與散熱器的接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，保證LED具有良好的熱管理路徑，以滿足殼體溫度與環(huán)境溫度的試驗要求。將散熱器安裝在高溫箱內(nèi)；LED分別與數(shù)據(jù)采集器、驅(qū)動電源連接；半導(dǎo)體制冷片連接到溫控系統(tǒng)；由數(shù)據(jù)采集器控制的J型熱電偶分別固定在LED殼體溫度監(jiān)測位置與高溫箱內(nèi)，試驗實物圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)操作軟件的部分程序代碼

圖4 試驗實物圖

首先，初始化軟件界面，檢查儀器設(shè)備的通信情況。

然后，在軟件界面設(shè)置試驗數(shù)據(jù)保存路徑，調(diào)節(jié)高溫箱內(nèi)部工作溫度，控制LED環(huán)境溫度為55℃、85℃、105℃；調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)控制LED殼體溫度為55℃、85℃、105℃；調(diào)節(jié)驅(qū)動電源控制LED工作電流為150 mA。

接著，設(shè)置報警限值范圍：LED殼體溫度為55℃±2℃、85℃±2℃、105℃±2℃；LED環(huán)境溫度為55℃±5℃、85℃±5℃、105℃±5℃；工作電流150 mA±5 mA，在出現(xiàn)異常情況時終止恒溫加速壽命試驗；設(shè)置試驗時間間隔為1 000 h。

最后，實時顯示并保存殼體溫度、環(huán)境溫度、工作電流、工作電壓等數(shù)據(jù)。

3.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)ANSI/IES LM-80-20、ANSI/IES TM-21-19要求，記錄LED恒溫加速壽命試驗在55℃、85℃、105℃的試驗數(shù)據(jù)，試驗總時間為6 000 h，每隔1 000 h用積分光譜儀系統(tǒng)測量LED光色電參數(shù)。LED在0 h初始值歸一化，即初始光通量定義為100%，計算每隔1 000 h的平均光通維持率，進(jìn)行最小二乘曲線擬合，通過阿倫尼烏斯模型（公式(1)）計算最小二乘曲線擬合的外推初始常數(shù)、衰減加速常數(shù)，推算殼體不同溫度條件下的LED光通維持壽命70（公式(2)）。試驗結(jié)果如表2所示。

式中：

——最小二乘曲線擬合的外推初始常數(shù)；

——工作時間，h。

由表2試驗數(shù)據(jù)可知：LED在工作6 000 h后，其殼體溫度55℃、85℃、105℃的平均光通維持率分別為97.18%、95.64%、92.18%，均大于90%；光通維持率隨殼體溫度上升或試驗時間增加呈下降趨勢，其變化趨勢如圖5所示；由公式(2)計算LED在殼體溫度55℃、85℃、105℃時，光通維持壽命70分別為56 812 h、38 201 h、23 846 h。

表2 試驗數(shù)據(jù)

圖5 3種不同殼體溫度條件的LED光通維持壽命L70

4 不確定度評估

為保證本系統(tǒng)的試驗時間準(zhǔn)確度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需對試驗中的各個不確定度分量進(jìn)行嚴(yán)格控制。恒溫加速壽命試驗的測量時間為重要因素，當(dāng)光通量、溫度、電流、電壓等輸入量誤差非常小時，也可能引起較大的時間偏差。試驗時間測量不確定度由光通量、溫度、電流、電壓、時間等輸入分量組成（公式(3)），每個分量用其概率分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計值表征，稱為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，包括A類評定與B類評定[6]。A類評定是對在規(guī)定測量條件下（指重復(fù)性測量條件、期間精密度測量條件或復(fù)現(xiàn)性測量條件）測得的量值，用統(tǒng)計分析方法進(jìn)行測量不確定分量的評定。B類評定是用不同于A類評定的方法對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行評定，主要來源于校準(zhǔn)證書、生產(chǎn)廠說明書、檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、以往測量數(shù)據(jù)、測量儀器特性經(jīng)驗等。

因為光通量、溫度、電流、電壓、時間等輸入分量相對獨立，各不相干，引起試驗時間的變化也相對獨立，因此結(jié)合儀器設(shè)備特性及工作經(jīng)驗等信息，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27418—2017評估上述輸入分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u，計算試驗時間的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度crel，利用包含因子確定試驗時間的擴(kuò)展不確定度rel（公式(4)）[7]。各輸入分量的不確定度評估如表3所示。

表3 各輸入分量的不確定度評估

由表3可知：LED恒溫加速壽命試驗時間與期望值的相對擴(kuò)展不確定度為5.5%，包含概率為95%，包含因子為2；表明通過阿倫尼烏斯模型推算的LED光通維持壽命結(jié)果的準(zhǔn)確性，也驗證LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)的有效性，符合LED恒溫加速壽命試驗的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計一套基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)，模擬LED實際工作溫度、電流、電壓，開展以溫度為單一應(yīng)力水平的加速壽命試驗，并運用阿倫尼烏斯模型推算LED光通維持壽命，分析壽命不確定度，驗證本系統(tǒng)的可行性及有效性。LED應(yīng)用領(lǐng)域及環(huán)境狀況不同，影響LED壽命的應(yīng)力水平可能包括濕度、機(jī)械力、光輻射等，這些應(yīng)力水平相互作用施加在LED形成各種失效模式，需對不同LED在更多的應(yīng)力水平下進(jìn)行加速壽命試驗，獲取更精確的試驗數(shù)據(jù)以符合LED實際應(yīng)用情況，為LED可靠性壽命研究提供科學(xué)合理的評價方法。

[1] 全國照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 24826—2016 普通照明用LED產(chǎn)品和相關(guān)設(shè)備術(shù)語和定義[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2016.

[2] 唐元天.加速壽命試驗數(shù)據(jù)管理與解析系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2007.

[3] 陳愿.基于威布爾分布的某電子部件貯存可靠性壽命評估[J].電子元器件與信息技術(shù),2019(1):1-4,14.

[4] 俞建峰,儲建平.LED照明產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證與檢測方法[M].北京:人民郵電出版社,2018.

[5] 唐普英,謝啟.基于LabVIEW的多串口通信及數(shù)據(jù)存儲的研究與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2015,34(8):93-97.

[6] 曹祥顯.測量不確定度的分析[J].商品與質(zhì)量,2018(44):216-217.

[7] 全國認(rèn)證認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 27418—2017 測量不確定度評定和表示[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2017.

Design of LED Simulation Working Condition Life Test System Based on LabVIEW

WU Duxiong1LIU Xiujuan2ZHOU Gang3

(1.CESI (Guangzhou) Standards & Testing Institute Co., Ltd. Guangzhou 510700, China 2.China Electronics Standardization Institute, Beijing 100007, China 3.Shenzhen CESI Information Technology Co., Ltd. Shenzhen 518057, China)

Reliability life evaluation is an urgent problem to be solved in the development of LED industry. A set of life test system simulating the actual working temperature, current and voltage of LED is designed to realize the functions of real-time monitoring, measuring and saving data of constant temperature accelerated life test. The feasibility and effectiveness of the system are verified through relevant tests and evaluation uncertainty, which is helpful to evaluate the reliability life of LED packages, modules and arrays, and promote the improvement of product quality.

LabVIEW; LED; reliability life; luminous flux maintenance

TN23

A

1674-2605(2022)04-0006-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.04.006

吳杜雄,劉秀娟,周鋼.基于LabVIEW的LED模擬工況壽命試驗系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與信息工程,2022,43(4):26-31.

WU Duxiong, LIU Xiujuan, ZHOU Gang. Design of LED Simulation Working Condition Life Test System Based on LabVIEW[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(4):26-31.

吳杜雄，男，1986年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：光電標(biāo)準(zhǔn)化及檢測。E-mail: wudx@cesi-gz.org.cn

劉秀娟，女，1983年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：半導(dǎo)體光電和顯示標(biāo)準(zhǔn)化研究。E-mail: liuxiujuan@cesi.cn

周鋼（通信作者），男，1981年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：光電標(biāo)準(zhǔn)化及檢測。E-mail: zhougang@cesi-gz.org.cn