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电源寿命及可靠度探讨分析

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文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2020-05-22 13:36:00

 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。每颗零件在设计上都一定有其必要性,所以如何确认实际寿命与信赖性评估一直为各厂牌的窍门,一般电源寿命评估主要由部分关键零组件的使用寿命来决定,譬如风扇、铝质电解电容等。明纬设计的产品寿命评估须通过ORT/DMTBF/冷热冲击/Life time验证,以确保产品寿命与质量。
 
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,其电容值减小且损耗角(tanδ)增加,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。一般铝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,于一段时间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℃,其寿命会减少一半,反之,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障率曲线图(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,基本上故障率都很低,但是偶发期间的故障率与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(如风扇、电解电容器)。


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际知名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℃时,负载操作于100% 其寿命约为35Khrs;当负载减额至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;当环境温度下降至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

实际从市场端取回使用10年的CLG-150产品(2008/12制品-应用于路灯),分析产品之电气性能与可靠度,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,表示功率组件(MOS/变压器)等组件工作损耗仍正常。
2. 输出电压涟波/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/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。佐以目前相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…),实际从市场端使用10年产品,确认相关参数(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品质量良好,估计使用10年无问题,左证了明纬相关可靠度评估,长期使用之可靠度佳。此外,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

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