电源寿命及可靠度探讨分析

  文: 苏文福/品保部
简鹏辉/研发部

明纬于2008年,正式开发出第一款LED POWER SUPPLY-CLG-150,正式踏入LED蓬勃发展的产业市场。时至今日已超过10年,相关LED系列产品销售量不计其数。明纬欲追踪10年前应用于LED 路灯之电源性能及可靠度,故于市场端取得2008年制造之CLG-150 LED电源来进行分析探讨。
 
交换式电源供应器依设计的功率与架构不同,可由数十颗零件,甚至数百颗零件组成。?#38752;?#38646;件在设计上都一定有其必要性,所以如何确认?#23548;?#23551;命与信赖性评估一直为各厂牌的窍门,?#35805;?#30005;源寿命评估主要由部分关键零组件的使用寿命来决定,譬如风?#21462;?#38109;质电解电容?#21462;?#26126;纬设计的产品寿命评估须通过ORT/DMTBF/冷热冲击/Life time验证,以?#32321;?#20135;品寿命与质量。
 
本文主要讨论电解电容Life time验证与寿命评估。
铝质电解电容(aluminum electrolytic capacitor)受使用条件(温度,负载等)的影响很大,长时间的运作之下,其电容?#23548;?#23567;且损耗角(tan?#27169;?#22686;加,而影响其使用寿命。这种现象主要是由电容中电解质的扩散效应(diffusion effect)所导致,即电解质扩散到外封材料进而散溢到外部。?#35805;?#38109;质电解电容寿命可使用Arrhenius定律(化学扩散反应速率)为基础来估算,于一?#38382;?#38388;后逐渐干涸造成容值下降/内阻(ESR)上升而造成电容损坏。当环境温度增加10℃,其寿命会减少?#35805;耄?#21453;之,如温度降低10℃,其寿命会增加1倍。

此外,下图表示典型的产品寿命期间之故?#19979;是?#32447;图(浴缸曲线)。


(1)初期故障期间
    为了防止初期故障,在成品出货之前已筛选出不良零件和做过老化测试,因此S.P.S.交给客户时大都
    已进入偶发故障期间。
(2)偶发故障期间
    产品稳定度与其信赖度(MTBF)有关,基本上故?#19979;?#37117;很?#20572;?#20294;是偶发期间的故?#19979;?#19982;使用者的  
    安装和工作条件(环境温度、减额、通风、振动)有关。
(3)耗损故障期间
   偶发故障期后产品即进入耗损故障期间,此时大都属于零件的老化(如风?#21462;?#30005;解电容器)。


使用寿命(life time)与负载(load)及温度之关系

依上述浴缸曲线来探讨,对于偶发故障期间之信赖性与使用者安装或应用条件(环境温度、减额、通风、振动)有关。先屏除其他外在影响条件,以环境温度(Tamb.) 或产品机壳温度(Tcase)与负载条件执行产品寿命分析探讨。
 
明纬产品寿命验证是以国?#25163;?#21517;电解电容制造商提供的计算方式为根据,以CLG-150机型为例,为全灌胶机种, 其设计输出电容采用10000小时@105℃之日系品牌铝质电解电容,其电容寿命V.S 负载V.S温度之关系说明如下。
 
  1. 使用寿命与负载及环境温度之关系. : 如图(一)
  • 使用寿命与负载之关系,当环温为55℃?#20445;?#36127;载操作于100% 其寿命约为35Khrs?#22351;?#36127;载减额至75%使用,其寿命约为57Khrs,也就是当负载减额使用至75%,寿命可提升1.6倍。
  • 使用寿命与环温之关系,当负载操作于75% LOAD,其环境温度操作于55℃其寿命约为57Khrs?#22351;?#29615;境温度下降至45℃,其寿命约增加1倍为114Khrs。
  1. 使用寿命与机壳温度之关系 : 如图(二)


电气性能与可靠度分析

?#23548;?#20174;市场端取回使用10年的CLG-150产品(2008/12制品-应用于路灯),分析产?#20998;?#30005;气性能与可靠度,摘要重点如下:
 
  • 电气特性-重要电器规格分析
重要电气项目 电气规格 实测值
E.F.F 89% 90.1%
P.F 0.95 0.967
RIPPLE & NOISE 150mv 109mv
SETUP TIME 3000ms 1660 ms
RISE TIME 80ms 23ms
HOLD UP TIME 50ms 56ms
INRUSH CURRENT 65A 46.6A
WITHSTAND VOLTAGE I/P-O/P:3.75KVAC I/P-FG:2KVAC O/P-FG:0.5KVAC : TEST OK
ISOLATION RESISTANCE I/P-O/P, I/P-FG, O/P-FG:
100M Ohms / 500VDC
I/P-O/P:22.4GΩ
I/P-FG: 20.6GΩ
O/P-FG:30 GΩ
小结:
1. 使用10年,满载E.F.F/P.F仍符合SPEC,表示功?#39318;?#20214;(MOS/变压器)等组件工作损耗仍正常。
2. 输出电压?#23433;?启动时间/保持时间仍符合SPEC,表示输入/输出电解电容寿命,尚未进入老化周期。
3. HI-pot/绝缘阻抗,符合安规要求,表示雷击/绝缘/防水..等功能,基础能力正常。
 
 
  • 可靠度特性-电解电容容值分析
电容位置 电容规格 实测值
输入端高压电容 C5 150u/450V 105℃ D=0.24 NCC CLA C:129.6uf  D:0.08   ESR:0.574Ω
辅助电源电容 C120 22u/50V 105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.7Ω C:20.9uf   D:0.06   ESR:0.43Ω
C55 100u/25V 105℃ D=0.14 NCC KY ESR=0.22Ω C:89.4uf   D:0.09   ESR: 0.16Ω
C42 22u/50V 105℃ D=0.19 RUB. YXM C:19.9uf   D:0.08   ESR:2.2Ω
C52 47u/35V 105℃ D=0.12 RUB. ZLH ESR=0.22Ω C:48.13uf  D:0.06   ESR:0.183Ω
输出电容 C105 330u/50V  105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.22Ω C:312uf    D:0.025  ESR:0.037Ω
C106 330u/50V  105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.22Ω C:313uf    D:0.025  ESR:0.04Ω
C107 330u/50V  105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.22Ω C:312uf    D:0.025  ESR:0.04Ω
C108 120u/63V 105℃ D=0.09 YXG-LLC ESR=0.25Ω C:111.7uf  D:0.032  ESR:0.101Ω
小结:
电解电容容值/D值/ESR值均符合零件规格,代表设计及零件选用符合长期信赖性需求。


总结:
明纬设计及零件选用,皆以长期信赖为基础。佐?#38405;壳?#30456;关实施之可靠度测试(环测温升限制/ORT长时间寿命烧机验证/冷热冲击/震动/防水/盐雾…),?#23548;?#20174;市场端使用10年产品,确认相关?#38382;?电气/绝缘/零件寿命..)皆正常,亦证明10年前台湾首批配置于路灯之产?#20998;?#37327;良好,估计使用10年无问题,左证了明纬相关可靠度评估,长期使用之可靠度?#36873;?#27492;外,LED驱动电源选购与搭配上需选用高效率的电路设计产品,且零件设计使用高质量电解电容的LED驱动电源,亦为提升灯具寿命之参考方向。

明纬将持续秉持-全面品保/客户满意之质量政策,长期提供质、量、成本最佳组合之产品与服务。
 
相关寿命评估与保固说明 请参阅明纬网站