前方技术预警｜LED 产品寿命预估那点事儿

‘lamp lifetime’ means the period of operating time after which the fraction of the total number of lamps which continue to operate corresponds to the lamp survival factor of the lamp under defined conditions and switching frequency.For LED lamps, lamp lifetime means the operating time between the start of their use and the moment when only 50 % of the total number of lamps survive or when the average lumen maintenance of the batch fallsbelow 70 %,whichever occurs first.

——COMMISSION 

REGULATION (EU) No 1194/2012

简单翻译一下，LED 产品的寿命为，50%的灯坏掉的时间 or 平均光通维持率降低到70%的时间，取先发生的那个时间。可以将 LED 产品的失效模式大致分为两种：

灯的寿命 B50L70 可大致定为50%的灯达到以上两种失效模式的时间。

下面简单介绍下如何对 LED 产品寿命进行预估：

LED 产品主要分为结构、电子（驱动）和灯珠三部分，结构方面的失效与实际使用环境应力相关，比较难预估，这里只对电子和灯珠两部分进行寿命预估。

LED 光输出随着时间的衰减曲线可以用指数函数表示：

式中 Φ（t）为t时刻的光通维持率，B 为初始常数，α 为衰减系数，t 为以小时为单位的光通维持时间。可以根据灯珠的 LM-80 报告推算出 B，α，从而得出 LED 的平均光通维持率随时间衰减的曲线。

上图根据 IES-TM-21-11 计算，只能给出固定时刻的光通维持率，而寿命预估需要的是不同时刻光衰超过30%的概率，故引入威布尔分布来达到目的。

威布尔分布可以描述整个产品生命周期（浴盆曲线）的失效，通过产品的故障时间记录可以分析出产品失效发生在生命周期哪个阶段并推算出此阶段的故障率数学模型。

威布尔分布的寿命分布函数由下式给出：

其中，m 成为形状参数，m>0:η 称为尺度参数，η>0;r 称为位置参数，也称最小寿命，表示产品在 r 以前不会失效， r=0 时变化为二参数威布尔分布；t是产品的工作时间，t＞r。

当 m<1时，失效率是递减型的，说明故障发生在初期故障期；当 m="">1时，失效率是递增的，说明故障发生在损耗期。

LED 的 LM80 报告中一般的灯珠测试数量为15~30pcs, 可根据没颗灯珠的光衰数据得出对应的 L70 寿命，即产品的失效时间，通过15~30pcs的失效数据，带入威布尔分布公式中（公式左右两边求两次导数得出一元一次方程即一条直线，对数据进行最小二乘法拟合即可），可以求出威布尔分布的三参数，从而得知寿命分布函数与时间的关系。

下表是根据某款 LED 的 LM80 报告的 25pcs LED 的光衰数据推算出的每颗 LED 达到L70的时间（已从小到大进行了排序）。

根据这些失效数据来推算，形状参数 m=1.23，说明失效都在损耗区；位置参数 r=42085h，说明42085h后才会有 LED 光通维持率降到70%；根据得出的三系数威布尔公式，可以得出不同时刻，LED 光通维持率到达 L70的概率。

电子元器件的失效率基本为常数，寿命遵循指数分布，整个电子驱动的故障率计算公式为：

其中 F（t）为元器件的t时刻元器件的故障率， λ1λ2…λn 为所有元器件的失效率（t时刻后单位时间内产品发生故障的概率）。各个元器件的失效率计算参考 MIL-HDBK-217，元器件的失效率与电应力，热应力，以及元器件自身的级别和使用环境参数等有关。下表为根据 MIL-HDBK-217制作的电解电容的失效率计算表格。

按照以上思路，计算出所有元器件的失效率相加可以得出驱动的失效率。

将 LED 光衰失效和驱动失效叠加起来就得到了 LED 产品的故障率。由下图可以看出，产品的 B50L70 在48000h 左右。

学生：我们常说的寿命30000h，也就是 B50L70=30000h 和 MTBF=30000h，哪个比较好呢？

叫兽：B50L70 等于30000h，粗略的按照失效率相等（即指数分布）计算，失效率约为2.31E-5，假设一个灯具每天使用12h，那么按照这个失效率，一年的故障率为10%，两年的故障率为18%，三年的故障率为20%。

MTBF=30000h的话，失效率λ=1/MTBF，即假设一个灯具每天使用12h，那么按照这个失效率，一年的故障率为14%，两年的故障率为25%，三年的故障率为35%。都不是很好的品质。

学生：寿命30000h真是个坑呀。LED 产品这样预估寿命准确吗？

叫兽：这只是预估寿命的一种方式，LED 的光衰数据是按照实际测试数据以及 LED 的光衰趋势来预估的，这个算是准确。但其实后来发现很多灯珠的 LM80 报告是厂家特殊制作样品去通过的，所以不可全信(当初知道这个消息的时候我的心也是凉的)。

驱动的寿命是参照MIL-HDBK-217F1991，这个是1991年的标准，虽说是电子元器件做寿命预估为数不多的标准，但是年代久远，1996年后相继有国家和部门宣布停止采用这种寿命预估方法。目前常见的寿命预测还是单纯计算电解电容的寿命，不过就比较难做成图了，这里也就了解下元器件寿命的影响因素就算了。

学生：……

参考文献：

1、IES-TM-21-11Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources

2、MIL-HDBK-217

3、COMMISSIONREGULATION (EU) No 1194/2012

-end-