LED驱动电源失效分析

相对于LED光源来说，LED驱动电源的结构更复杂，需要权衡的地方会更多，使得LED驱动电源往往比LED光源先失效。据统计，整灯失效中超过80%的原因是电源出现了故障。经过金鉴实验室长期的实证分析，导致LED驱动电源失效的原因很多，可归纳为以下7大类。

1.电子元器件老化

金鉴实验室会针对电阻、电容、二极管、三极管、LED、连接器、IC等器件开路、短路、烧毁、漏电、功能失效、电参数不合格、非稳定失效等各种失效问题，利用物理和化学的分析手段，从宏观和微观分析出失效原因，并为客户提出改善方向。

2.PCB质量问题

金鉴实验室针对PCB、PCBA润湿不良、爆板、分层、CAF、开路、短路等等各种PCB失效问题，利用物理和化学的分析手段，从宏观和微观分析出失效原因，并为客户提出改善方向。
 

3. LED电源散热不良

驱动电路由电子元件组成，少数元件对温度非常敏感。如电解电容，通行的电解电容寿命估算公式为“温度每降低10度，寿命增加一倍”，散热不良很可能导致其寿命大大缩短，提前失效，致使LED电压出现故障，LED灯具失效。尤其是对于内置式电源（放在整灯内的电源），发热量大的电源会增加整灯的导热、散热压力，LED的温度将升高，其光效和寿命将大大降低。所以在设计LED电源时，就应该重视其自身的散热问题。因此在开始设计灯具初期进行评估，电源的设计同步进行，就能解决以上问题。在设计中要综合考虑LED的散热和电源的散热，整体控制灯具的升温，这样才能设计出较好的灯具。
 

4. 电源设计中的问题

（1）功率设计。虽然LED光效高，但是还有80%～85%的热能损耗，致使灯具内部有20～30K的温升，如果室温在25℃，灯具内部则有45～55℃，电源长时间在高温环境下工作，要保证寿命就必须加大功率裕量，一般留存1.5～2倍的裕量。

（2）元件选型。灯具内部温度在45～55℃时，电源内部温升还有20℃左右，则元件附件的温度要达到65～75℃。有些元件在高温时参数会漂移，甚至寿命会缩短，所以器件要选择能在较高温度下长时间使用的，还要特别注意电解电容和导线。

（3）电性能设计。开关电源针对LED的参数设计，主要是恒流参数，电流的大小决定LED的亮度，如果批量电流误差较大，则整批灯的亮度不均匀。而且温度的变化也能致使电源输出电流偏移。一般批量误差控制在±5%以内，才能保证灯的亮度一致，LED的正向压降有偏差，电源设计的恒流电压范围要包含LED的电压范围。多个LED串联使用时，最小压降乘以串联数量为下限电压，最大压降乘以串联数量为上限电压，电源的恒流电压范围要比这个范围稍宽些，一般上下限各留1～2V裕量。

（4）PCB布板设计。LED灯具留给电源的尺寸较小(除非电源是外置的)，所以在PCB设计上要求较高，要考虑的因素也较多。安全距离要留够，要求输入和输出隔离的电源，一次侧电路和二次侧电路要求耐压1500～2500VAC，在PCB上至少要留够3mm的距离。如果是金属外壳的灯具，则整个电源的布板还要考虑高压部分和外壳的安全距离。如果没有空间保证安全距离就要利用其他措施保证绝缘，比如在PCB上打孔、加绝缘纸、灌封绝缘胶等。另外布板还要考虑热量均衡，发热元件要均匀分布，不能集中放置，避免局部温度升高。电解电容远离热源，减缓老化，延长使用寿命。

5. 雷击损坏

雷击是一种常见的自然现象，特别是在雨季尤为常见。其所带来的危害和损失全球每年以千亿美元来计。雷击分为直接雷击和间接雷击，间接雷主要包括传导雷和感应雷。由于直接雷所带来的能量冲击非常大，破坏力极强，一般电源是无法承受的，故这里主要讨论的是间接雷型。

雷击所形成的雷击浪涌冲击是一种瞬态波，属于瞬变干扰，可以是浪涌电压，也可以是浪涌电流。沿着电源线或其他路径（传导雷）或通过电磁场（感应雷）而传送至电源线路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。这种现象会对电源产生致命的影响，其产生的瞬间的浪涌冲击远远超出一般电子器件的电性应力，导致的直接结果是电子元件损坏。

6. 电网电压超出电源负荷

当同一个变压器电网支路配线太长，支路中有大型动力设备时，在大型设备启停时，电网电压会剧烈波动，甚至导致电网不稳。当电网瞬时电压超过310 VAC时有可能损坏驱动器（即使有防雷装置也无效，因为防雷装置是应对几十微秒级别的脉冲尖峰，而电网波动可能达到几十毫秒，甚至几百毫秒）。因此，路灯照明支路电网上有大型电力机械时要特别注意，最好监测下电网波动幅度，或者由单独电网变压器供电。

7. 焊点失效

电源封装主要涉及PCB板与元器件之间的连接工序，其中焊点扮演者重要的角色。焊点的主要作用是实现电子元器件与基板（LED电源中针对的是PCB板）的机械连接和电气连接，焊点质量严重影响着器件的可靠性。led焊点失效(焊球脱落、键合线断裂)一方面来自于生产装配中的焊接故障，如焊料桥连、虚焊、空洞、曼哈顿现象。另一方面是在服役过程中，当环境温度变化时，由于元器件与PCB板存在热膨胀系数差，在焊点内产生热应力，应力的周期性变化会造成焊点的疲劳损伤，最终导致疲劳失效。

此外，金鉴实验室工程师认为，整灯最重要的应力影响因素包括湿度、温度、电流、电压、机械力、化学和光辐射。这些应力相互作用，施加在LED产品上，形成各种LED失效模式，最后影响产品寿命。首先要注意的就是LED光衰特性，传统灯具一般点燃100h之后就进行测量，对LED灯具来说，这个时间太短。其次是LED热特性，LED发光、颜色等都与其热特性相关。除了LED本身的热特性，LED灯具散热设计也会影响LED的光效、LED寿命。目前许多灯具的散热设计参差不齐，造成有些LED灯光效低、寿命短，这实际上并不是LED灯本身的问题，而是灯具设计不良。LED寿命很长，但真正拿到室外环境中应用就很容易出现各种问题：在-10℃的哈尔滨，LED无法启动；在赤道地区，气候炎热使LED的散热问题严重。环境因素使LED寿命不能得到保证，这是最大的问题。LED在室内可以达到两万小时，可是在某些环境要求既散热又防水，但这两者在一定程度上是矛盾的，这些都对LED的寿命提出了挑战。

为更好地服务客户，促进行业的共同进步，金鉴实验室推出专业的“LED驱动电源失效分析”业务，给客户方便准确的测试服务。

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