採用現有照明技術的白熾燈或螢光燈的性能通常用平均使用壽命來衡量,它是指連續工作的一批被測燈中一半發生故障(不再發光)所花的時間。白熾燈的平均使用壽命大約是1,000小時,緊湊型螢光燈的平均使用壽命約為1.2萬小時,線型螢光燈的平均使用壽命約為2.5萬小時。相比之下,工作在合適環境條件下的LED的發光時間可達10萬小時甚至更長,因此無法測量它們的平均使用壽命。

LED照明壽命用L70指標來表示,是指以流明(lm)為單位測量得到的輸出光強下降到最初亮度的70%時所用的時間。從可靠性工程的角度看,L70的缺點是,由照明公認權威組織「照明工程協會」發佈的測量方法只測量LED封裝的流明輸出,而沒有考慮驅動電路、熱管理設計甚至光路等其他系統因素。現在的照明製造商沒有將重心放在整個系統的可靠性上,因為燈幾乎總是最先壞的零件。但隨著LED照明的發展,製造商和最終使用者逐漸認識到,照明系統的其他部分可能成為整體壽命的限制因素,如表1所述。

20171109TA01P1 表1 2015年固態照明設備的典型性能。(資料來源:2016美國能源部固態照明研發計畫)

可靠性是指一個零件或一個系統在特定工作條件下、在一段指定時間內,按設想那樣正常工作的概率。產品可靠性評估基本上都是根據加速壽命測試統計建模和預測方法進行。對LED照明系統來說,額定和其他元件故障都會影響整體可靠性,如圖1所示。事實證明將照明系統性能的這兩個不同因素結合起來的統計模型已不太適用,這是為什麼一直將重心放在強健性(robustness)測試上的主要原因。

20171109TA01P1-1 圖1 LED照明系統整體可靠性實例。(圖片來源:美國能源部「建築技術規劃固態照明技術情況說明書」)

在現場作業中,強健性是衡量一個產品或系統在特定環境下依設想進行工作的能力的一種非量化指標,方法是確認按照特定的設計和生產製程所做出的產品可以承受比正常工作情況下更大的應力。幾十年來,電子產業一直採用強健性測試方案作為驗證程式的一部分,直到最近這種概念才被更多的LED照明組織所接受,因為他們終於認識到基於LED的照明產品與其他電子產品並沒有太大的區別。

與使用設計原型的可靠性測試不同,強健性測試一般是將生產樣品放到各種超應力條件下,使其更有效地成為整個品質認證系統的一部分。可靠性測試的目標是檢測出故障,以便瞭解故障模式,與之不同,強健性測試所期望的是在測試結束時所有產品都會正常工作。

LED照明的強健性測試與JEDEC、IEC和其他組織發佈的其他類型電子設備的測試非常相似,但是根據LED產品的特殊性進行了一些調整。對於給定產品的測試方案將根據目標應用的不同而不同,比如室內辦公產品的測試板可能不需要包含高溫工作或振動。表2列出針對LED照明產品推薦的比較常見的強健性測試項目。

20171109TA01P1-2 表2 典型的LED照明系統強健性測試。

最近一些標準機構針對LED照明系統的強健性問題進行了研究,還有許多工作要做。下次我們將討論已經有的和規劃中的標準,以及它們是如何解決LED照明系統的可靠性問題。