基于实际运行环境下的LED寿命预测方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术通过加速试验报告数据，建立具有相同加速因子的单个LED寿命模型和一批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寿命模型预测LED寿命，适用于各种LED工作电流和外界环境温度变化的场合，提供了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，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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Lp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Lp寿命并不能完全通过实验测试得到的，按照工业标准IESLM-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IESTM-21标准，预测其达到初始光通量p％所需的时间。但IESTM-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。IESLM-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。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
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。本专利技术为实现上述专利技术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TA和驱动电流IF曲线，根据LED应用场合选定LED寿命标准Lp，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BX：2-1)由LED失效机理得到单个LED寿命模型Lp为：其中，Ap为常数，n为比例因子，Ea为分子激活能，kB为玻尔兹曼常数，Lp(IF,TJ)为LED在驱动电流IF和结温TJ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BX，表示在BX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AX、分子激活能Ea、比例因子n待求；2-3)BX与Lp具有相同的加速因子AF：其中，(IF0，TJ0)为初始驱动电流IF0和初始结温TJ0确定的应力水平，(IF，TJ)为实际运行中的加速应力水平(驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平)。采用LED产品的IESLM-80报告数据，选取至少三组不同驱动电流和结温条件(IF，TJ)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Lp寿命标准得到至少三组不同驱动电流IF和结温TJ确定应力水平下的Lp数据；2-4)使步骤2-3)中的Lp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(BX)＝X％，R(t)为可靠度函数，t为时间，η为基于B63.2标准的特征参数，即η＝B63.2，β是形状参数，B63.2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Lp数据，采用最小二乘法线性拟合，根据步骤1中选定的Lp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BX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Ea和比例因子n的数值；2-7)将分子激活能Ea、比例因子n和任何一组(IF，TJ)确定应力水平下的BX值带入步骤2-2)中的BX寿命模型得到AX。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Tc下的导通压降VF、LED辐射光功率Popt、LED从内部p-n结到封装表面的热阻Θj-c与驱动电流IF之间的关系曲线；3-2)通过公式计算LED内部p-n结结温TJ：TJ(TA,Pheat,Θhs-a)＝TA+Pheat·Θj-a＝TA+Pheat·(Θj-c+Θc-hs+mΘhs-a)(6)，其中，LED消耗的电功率Pe1＝IFVF，LED散发的热功率Pheat＝Pe1-Popt，其热电转换系数kh＝Pheat/Pe1＝1-Popt/Pe1，m为同一散热器上所串联的LED个数，Θc-hs为LED表面到散热器之间的所有器件热阻之和，Θhs-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TJ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BX。4-1)将实际运行环境下的第i个应力水平(TJ，IF)i带入步骤2中的BX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BXi数据；4-2)计算一个运行周期内批量LED的消耗寿命CL：其中，ti为(TJ，IF)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BX(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。本专利技术采用上述技术方案，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IESTM-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IF＝0.35A、TA＝120℃、TJ＝129℃时的LED输出光通量曲线。图2是IF＝0.7A、TA＝55℃、TJ＝74℃时的LED输出光通量曲线。图3是IF＝1A、TA＝85℃、TJ＝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IF和结温TJ下的BX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Popt/本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于实际运行环境下的LED寿命预测方法，其特征在于，步骤A、根据LED实际运行环境及其型号确定其环境温度变化曲线以及驱动电流变化曲线，根据LED应用场合选定LED寿命标准；步骤B、根据LED失效机理建立单个LED寿命模型Lp(IF,TJ)：和批量LED寿命模型BX(IF,TJ)：所述单个LED寿命模型和批量LED寿命模型具有相同的加速因子AF(n,Ea)：Lp(IF,TJ)为LED在驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平下达到最初光通量p％所需时间，Ap为单个LED寿命模型的常数，n为比例因子，Ea为分子激活能，kB为玻尔兹曼常数，BX(IF,TJ)为批量LED在驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平下X％个LED的输出光通量下降到最初光通量p％所需的时间，即，BX(IF,TJ)为在驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平下批量LED失效率为X％时的寿命，AX为批量LED寿命模型的常数，(IF0,TJ0)为初始驱动电流IF0和初始结温TJ0确定的应力水平，根据步骤A选定的LED寿命标准拟合不同应力水平下LED寿命的韦伯分布曲线以确定分子激活能Ea、比例因子n，批量LED寿命模型的常数AX的取值；步骤C、获取LED在实际运行环境下的结温曲线；步骤D、根据LED在实际运行环境下的结温曲线和批量LED寿命模型预测批量LED的寿命。...

【技术特征摘要】
1.基于实际运行环境下的LED寿命预测方法，其特征在于，步骤A、根据LED实际运行环境及其型号确定其环境温度变化曲线以及驱动电流变化曲线，根据LED应用场合选定LED寿命标准；步骤B、根据LED失效机理建立单个LED寿命模型Lp(IF,TJ)：和批量LED寿命模型BX(IF,TJ)：所述单个LED寿命模型和批量LED寿命模型具有相同的加速因子AF(n,Ea)：Lp(IF,TJ)为LED在驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平下达到最初光通量p％所需时间，Ap为单个LED寿命模型的常数，n为比例因子，Ea为分子激活能，kB为玻尔兹曼常数，BX(IF,TJ)为批量LED在驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平下X％个LED的输出光通量下降到最初光通量p％所需的时间，即，BX(IF,TJ)为在驱动电流IF和结温TJ确定的应力水平下批量LED失效率为X％时的寿命，AX为批量LED寿命模型的常数，(IF0,TJ0)为初始驱动电流IF0和初始结温TJ0确定的应力水平，根据步骤A选定的LED寿命标准拟合不同应力水平下LED寿命的韦伯分布曲线以确定分子激活能Ea、比例因子n，批量LED寿命模型的常数AX的取值；步骤C、获取LED在实际运行环境下的结温曲线；步骤D、根据LED在实际运行环境下的结温曲线和批量LED寿命模型预测批量LED的寿命。2.根据权利要求1所述基于实际运行环境下的LED寿命预测方法，其特征在于，步骤B中根据步骤A选定的LED寿命标准拟合不同应力水平下LED寿命的韦伯分布曲线以确定分子激活能Ea、比例因子n，批量LED寿命模型的常数AX的取值，具体方法为：从LED产品的IESLM-80报告数据中选取至少三组不同驱动电流和结温确定应力水平下的光通量数据，根据步骤A选取的LED寿命标准确定至少三组不同驱动电流和结温确定应力水平下的寿命数据；韦伯分布所述寿命数据得到累积失效概率曲线F(t)：F(BX)＝X％，R(t)为可靠度函数，t为时间，η为基于B63.2标准的特征参数，即η＝B63.2，β是形状参数，B63.2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6...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲小慧，连静，法罗，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32