技术项目：广东LED产业共性技术检测与研发创新服务平台项目
经过“千里十万”户外LED路灯推广工程，绿色照明示范城市等项目，LED作为第四代照明光源，其节能、环保等优点正逐渐被人们认识和接受。LED照明在广州亚运会、深圳世界大学生运动会和广州塔上大放异彩，唯美的LED效果给了世人震撼的感官享受。LED产业正有目共睹地助推广东提升，已列入广东省未来五年内三大战略性新兴产业之一。
户外LED照明的成功应用，给了大家对室内LED照明产品巨大的信心和无限期待，预计到2015年LED照明要占广东室内照明的三成，未来2-3年尤为重要。
一、室内LED照明产品现状
虽然户外LED照明大放异彩，但令LED照明走进千家万户，普及室内LED照明才是LED产业可持续发展的成败关键。室内LED照明大多安装在家庭、商铺、超市、酒店、超市、厂房、办公区域、地铁站等众多场所，主要产品有自镇流LED灯泡、LED筒灯、LED射灯、LED日光灯、LED面板灯等。要普及室内LED照明，业界公认的主要推动因素有：
1)提高光效、降低成本和价格;
2)长寿命、高可靠性、高显色性、高色品一致性的产品质量;
3)更多功能和多样化应用。
以往，LED产品的价格一直是制约LED产业发展的主要因素。如今，随着技术发展、效率提升及全世界经济形势变化，LED产品的成本逐年降低，为普及室内LED照明打下有利的基础。然而，激烈的市场竞争和价格战造成了产品良莠不齐，如果劣质产品流通市场则必然会造成对消费者利益的损害，影响LED产业的可持续发展。可见，质量问题现已是制约室内LED照明普及的主要矛盾，产品寿命和可靠性问题更成为了共性质量问题。
二、寿命问题和检测探讨
首先要澄清市场上流行的一种偷换概念的说法，就是LED 单体的寿命超过10万小时，但这绝不能代表整个LED照明产品的寿命。在室内LED照明产品检测中，曾遇到这么一个案例：按现有产品标准检测方法，室内LED日光灯通过6000小时光通维持率试验，并按标准推算理论寿命值应至少25000小时，但实际工作寿命却仅约10000小时，与宣称至少25000小时寿命值相差甚远。根据LED照明的电致光机理，LED照明产品主要由驱动电源和LED模块组成。经分析，以上产品“短命”的主要原因是驱动电源失效所造成的。据资料显示，LED照明产品早期故障80%来自驱动电源，一般是频闪或失效，出现频率比较高。驱动电源一般可分为独立式驱动电源和一体化式驱动电源，LED路灯基本都使用独立式驱动电源，自镇流LED灯泡、LED日光灯由于受结构限制几乎都使用一体化式驱动电源。当使用一体化式驱动电源的产品在使用过程中损坏时，不管是LED模组损坏，还是电源损坏，两者通常都要一起丢弃，造成浪费,而独立式驱动电源的产品却可有所选择弃置和保留。若LED产品无可选择地设计使用一体化式驱动电源，则必须选购含耐高温元器件的电源，并且注意产品的散热设计。同时，室内狭小的使用环境严重制约散热空间，令LED照明驱动电源承受很高的环境温度，大大降低了电源里关键部件的寿命，加上一般驱动电源都是由几十个电子元器件构成，受各元器件可靠性叠加效应的影响，从而降低室内LED照明产品的整体寿命。LED照明产品相对于其他传统光源的照明产品，突出的重点优势应是：节能、高可靠性、长寿命和环保。若寿命达不到标准要求的25000小时，必将降低室内LED照明产品的性价比，LED照明产品的节能效果也会因寿命问题导致大减折扣，造成节能而不省钱的尴尬。因此，我们必须重点监控室内LED照明产品寿命。
对于室内自镇流LED灯泡、LED日光灯，其产品推荐性标准GB/T 24908-2010《普通照明用自镇流LED灯 性能要求》里关于平均寿命的测试方法均按照LED模块推荐性标准GB/T 24824-2009《普通照明用LED模块测试方法》里的第5.5条要求和附录D方法进行，其主要方法为在25℃环境里通过测量产品每300小时的光通量直至6000小时的光通维持率推算产品寿命值。然而该试验方法仅是针对了LED模块，却忽略了对驱动电源的寿命试验。所以，正常工作应力下用光通维持率方法检测无法有效估算驱动电源的寿命。
在GB/T 24825-2009《LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求》第13.2条要求，LED电源与合适的LED模块在额定电压和温度为tc(表面额定最高工作温度)的环境下工作200小时作为耐久性试验方法。一般独立式LED驱动电源表面有tc标记，而一体化式LED驱动电源因嵌入了产品内部，在产品外部无法识别tc值。所以，该试验方法难以适合嵌入了一体化式LED驱动电源的照明产品。另外，试验中tc值接近元器件温度应力极限，若按设计寿命25000小时计算，单个样品试验加速倍数大于100，难以有效估算正常使用环境里产品的寿命。因此，有必要改良该试验方法。
LED驱动电源可看作为开关电源，开关电源的寿命由关键部件决定，主要有：电解电容、开关晶体管、高速功率两极管、光电耦合器、风扇、开关、冲击电流保护电阻、热敏功率电阻器等，一般认为电解电容的失效率比起其他部件均要高。电解电容的寿命与温度有密切关系，业界认为电解电容寿命存在“10℃法则”：电解电容器的封口部位会泄漏出气化的电解液，这种现象随工作温度升高而加速，一般认为在纹波电流不变的情况下，温度每上升10℃，泄漏的速度就会加速2倍，从而降低了寿命。可以说电解电容决定了LED驱动电源的寿命。
根据室内LED照明产品和LED模块标准，一般设计寿命至少为25000小时。我们建议，在使用光通维持率试验推算LED模块寿命，同时增加高温应力加速寿命试验监测驱动电源寿命质量，两者共同作为室内LED照明产品的寿命检测方案。高温应力加速寿命的基本原理就是产品的寿命与试验温度应力有关，温度应力越大，产品的寿命越短。同时，施加的温度应力在不改变产品元器件失效机理和不高于产品的结构、材料以及制造工艺所能承受的应力极限;为提高外推寿命的准确性，在保证温度应力的加速效果的前提下，选择接近实际的应力水平进行试验。因此，我们以LED驱动电源里关键且失效率高的电解电容“10℃法则”为技术基础，研究对室内LED照明产品进行高温应力加速寿命试验，见表1。
表1 室内LED照明产品高温应力加速寿命试验
在不考虑试验置信度和试验样品数室时，得：
t=Te×AFe (1)
公式(1)中，t为产品的推算寿命，Te为等效试验时间，AFe为等效加速倍数。
对表1等效试验时间进行修约，对在ta=25℃的室内LED照明产品，选取45℃，6000小时和55℃，3000小时的双高温应力，试用阿伦尼斯(Arrhenius)加速寿命方程验证。阿伦尼斯加速寿命方程是阿伦尼斯根据试验结果总结出化学反应率与温度间关系的经验公式，即：
lnt=a+b(1/T ) (2)
公式(2)中，t为产品的寿命(当产品寿命服从对数正态分布时，t一般指产品的中位寿命和t0.5;当产品寿命服从威布尔分布时，t一般指特征寿命);T为绝对温度(单位：K);a为比例常数;b=E/k ，k为玻耳兹曼常数(8.617×10-5eV/K)，E为激活能(eV);显然，在单对数坐标系上，公式(2)表示t与1/T符合线性关系。
把45℃，6000小时和55℃，3000小时代入公式(2)，得：
lnt=-14.036+7229.2(1/T)
当T=ta=25℃(298K)时，t=27590小时。同理，当ta=30℃、35℃、40℃、45℃和50℃时，选取ta+20℃，6000小时和ta+30℃，3000小时，求得t=(26000～28000)小时，均大于并基本接近25000小时，同时求得激活能E=(0.62～0.73)eV，也基本满足参考文献中提及(0.6～0.9)eV激活能。可见，双高温应力加速寿命试验方法应是可行的。
然而，实际中检测是必须考虑一次抽取试验样品数量、判断数组和试验置信度的。我们引入 “试验时间内允许失效次数”和“试验置信度”的关系因子A和抽取试验样品数n，建立单个试验时间、单个加速倍数、抽取试验样品数量、试验置信度与等效试验时间、等效加速倍数的关系式：
公式(3)中，t为产品的推算寿命，Ti为样品i试验时间，AFi为样品i加速倍数，n为试验样品数量;A这个因子与“试验时间内允许失效次数”和“试验置信度”有关，根据已成熟的体系，直接代用公式：
公式(4)中， 是自由度为2(r+1)的x平方分布的α的分位数，1-α是要求的置信度，r是允许的失效数，此分布值可以通过EXCEL中CHIINV函数计算。我们假设置信度为90%，允许失效数为1，则A=0.5×CHIINV(0.1,4)=3.89。
公式(3)也表明，当增加试验样品数量时，所需单个样品试验时间会有所减少。所以，当产品预期寿命较大时，可按此做法。但是，若令试验样品数量过于大时，所需单个样品检验会变得太小，导致试验效果出现偏离。因此，必须合理抽取试验样品数，控制偏离值，我们设定试验样品数量n与单个试验时间Ti关系式：
。
综上所述，我们最终根据阿伦尼斯加速方程的验证结果和关系公式(3)，令试验置信度为90%，按S-2检查水平，AQL=4.0，一次随机抽取12个试验样品，在额定电压下分别各取6个样品在ta+20℃的试验环境下，进行4000小时和在ta+30℃的试验环境下，进行2000小时的双高温加速应力试验，整体判断数组为[1,2]，与现有光通维持率试验共同作为室内LED照明产品的寿命检测方案。
三、可靠性检测探讨
寿命是产品可靠性的重要技术指标之一，但室内LED照明产品可靠性不单指寿命，还包括产品使用过程中的电气安全、电磁兼容、光色性能、开关性能和光生物安全等一致性和稳定性问题。我们根据现有国家标准GB 7000.1-2007《灯具 第1部分：一般要求与试验》、GB 24906-2010《普通照明用电压50V以上自镇流LED灯 安全要求》、GB/T 24908-2010《普通照明用自镇流LED灯 性能要求》、GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》、GB 17625.1-2003《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》及GB 17743-2007《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》等检测方法，结合提出的双高温应力加速寿命试验方法共同组成产品可靠性检测方案，见表2。
表2 室内LED照明产品可靠性检测方案
可靠性试验期间，产品不能出现失效。
下列情况之一视为产品失效：
1) 灯不符合电气安全要求;
2) 灯的绝缘强度、谐波电流、骚扰电压及辐射电磁骚扰值降低至标准限制要求以下;
3) 灯不能继续燃点;
4) 在初始状态至燃点3000小时内其光通维持率低于92%，在燃点3000小时后至6000小时其光通维持率低于88%;
5) 灯的光生物安全性在可靠性试验期间发生级别变化，光生物安全应符合无危险类和低危险类。
四、结语
提高室内LED照明产品的质量，特别是寿命和可靠性质量是普及室内LED照明产品的重要推动因素。本文从实际问题出发，分析了现有LED产品标准中有关寿命的检测方法，提出了双高温应力加速寿命试验方法，用阿伦尼斯加速度方程验证，同时考虑试验置信度、抽取试验样品数量和判定数组，建议与现有光通维持率试验方法共同作为室内LED产品的寿命试验方案;同时，根据产品电气安全、电磁兼容、性能、光生物安全等标准检测方法，初步提出室内LED照明产品可靠性检测方案。
由于篇幅有限，其它问题有待进一步展开研究，如：
1) 基于光衰和使用时间，光生物安全变化的研究;
2) 基于公式(3)试验样品数量n与单个试验时间Ti关系研究;
3) 步进高温应力加速寿命试验方案的研究。
望继续能与有志于提高室内LED照明产品质量的专业人员加强交流，探讨科学、合理的检测方案，共同努力把检测方案升级成为保障市场产品质量的标杆保证。
