摘要：該文以廣泛應用的普通照明用自鎮(zhèn)流熒光燈、LED燈為例，對綠色照明產品的可靠性和壽命技術指標要求、ALT方法和意義，以及數學模型進行討論，研究Arrhenius、Egring模型在綠色照明產品ALT方法中的具體應用等。

關鍵詞：綠色照明產品；加速壽命試驗(ALT)；Arrhenius模型；Egring模型

0 引言

大力推廣綠色照明產品是中國實行低碳經濟、提高能源利用效率的一個重要舉措。與傳統(tǒng)的白熾燈相比，普通照明用自鎮(zhèn)流熒光燈(俗稱節(jié)能燈、緊湊型熒光燈CFL)、線性熒光燈LFL、新型鹵素燈等新興節(jié)能綠色照明產品具有更高的發(fā)光效率、更低的能耗，特別是新型LED燈代表了綠色照明產品的未來。我國每年照明用電4300億千瓦時，占電力總消耗的12%，預計到2015年照明用電將達6000億千瓦時。若綠色照明產品占有20%以上的照明市場，每年不僅可節(jié)約用電1000億千瓦時，同時可減少二氧化碳、二氧化硫、粉塵的排放1.5億噸。然而，在中國，節(jié)能綠色照明產品的推廣卻遭遇窘境：世界上90％的節(jié)能燈產自中國，而中國節(jié)能燈使用比例還不到20%。其中Zui主要的原因是在上充斥著大量質量低劣、價格低廉、壽命只有1～2年、甚至幾個月的“短命節(jié)能燈”。表面上看，這種節(jié)能燈具有價格競爭優(yōu)勢，但從產品的整個生命周期來看，這種節(jié)能燈既不節(jié)能，又耗費大量資源，給大眾留下“節(jié)能不節(jié)錢”的印象，使綠色照明推廣工作面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

1 綠色照明產品的可靠性和壽命技術指標要求

綠色照明產品除了安全、環(huán)保、高效、低能耗要求外，更重要的是可靠性要高，使用壽命要長，這才能符合綠色生態(tài)的設計要求。

1.1 歐盟2009/244/EC指令要求

根據歐盟2009/244/EC《關于執(zhí)行非定向家用燈生態(tài)設計要求的EUP指令》[1]要求，節(jié)能燈除了光通量、Zui大額定功率、啟動時間、預熱時間、紫外線輻射、功率因素、顯色性、汞含量等可以立即測量的技術指標要求外，涉及可靠性和壽命指標要求有：6000h的殘存率、2 000h的照度維護率、損壞之前的開關周期數(燈的一半壽命)、過早損壞率(200h/400h)等。

1.2 我國對節(jié)能燈的要求

在GB 19044-2003[2]、GB/T 17263-2002[3]中，我國對節(jié)能燈的可靠性和壽命指標要求有：燃點2000h時光通維持率不應低于80%，額定平均壽命不得低于6 000h。

1.3 我國對普通照明用LED模塊的要求

在GB/T 24823-2009[4]中，我國對普通照明用LED模塊的可靠性和壽命指標要求有：模塊在燃點3000h時光通維持率不應低于92%，在燃點6000h時光通維持率不應低于88%，在燃點至70%額定壽命時光通維持率不應低于70%；模塊平均壽命不低于25 000h。

1.4 我國對普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的要求

在GB/T 24908-2010[5]中，我國對普通照明用自鎮(zhèn)流LED燈的可靠性和壽命指標要求有：燈在燃點3000h時光通維持率不應低于92%，在燃點6000h時光通維持率不應低于88%，在燃點至70%額定壽命時光通維持率不應低于70%；模塊平均壽命不低于25000h；開關次數大于15 000。

對于新型綠色照明產品LED燈來說，有的壽命更是長達5～6萬小時以上。這些高可靠性、長壽命的技術指標要求確保了“既節(jié)能又節(jié)錢”的目的。

2 ALT方法和意義

為了弄清產品的壽命分布，估計產品的各項可靠性指標，研究產品的失效機理，都要進行壽命試驗。通常企業(yè)和檢測機構都是按標準要求、模擬正常使用情況進行產品的壽命試驗，除開關次數可以通過自動編程控制器在較短時間內自動完成測量外，壽命技術指標包括光通維持率和平均壽命的試驗往往需要花數個月時間，有的更是需要長達數年時間。因此，一般檢測機構要么不測，要么引用企業(yè)的經驗數據。在GB/T24824-2009[6]給出一種LED模塊和自鎮(zhèn)流LED燈壽命外推的方法：通過測量1 000h至6000h光通量的下降值，外推至下降70%的時間，如圖1所示。由于光通量的衰減與實際壽命通常不呈線性關系，而且數據分布不均勻，推算的壽命值與實際值相差較大。即使這樣，試驗仍要持續(xù)進行6000h，即8個多月。

圖1 壽命試驗外推法示意圖

目前，國外也有研究LED器件燃點時波長的漂移、光通量的波動、器件連接的熱沉溫度與壽命之間的關系。然而，實際LED器件的壽命與組成燈具的系統(tǒng)壽命存在較大差距。另外，由于實際使用環(huán)境的特殊性和嚴酷性，可靠性和壽命往往比理論值偏低了許多。

據統(tǒng)計，通常一個工業(yè)產品若在設計階段改進缺陷費用為35美元，到采購階段前改進需要177美元，到生產階段前改進需要368美元，到發(fā)貨前要17000美元，而在用戶現(xiàn)場改進則需要690000美元。由此可見，發(fā)現(xiàn)缺陷和實施改進越早，花費的費用越少。從產品全壽命周期的費用來看，及早發(fā)現(xiàn)和改進設計缺陷尤為重要。因此，必須在盡可能短的時間內對長壽命、高可靠性的綠色照明產品進行比較科學的判定，盡早發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，以便在大規(guī)模生產之前為產品的設計、生產提供更為科學的指導。

加速壽命試驗(Accelerated LifeTesting,ALT)是指超過正常應力水平下的壽命試驗。ALT方法是研究產品壽命及其分布、解決、驗證高可靠、長壽命產品的設計正確性，且具有試驗經費少、研制和試驗周期短等優(yōu)點的試驗方法。ALT方法Zui早在國外主要應用于航天、航空、軍用等高、高可靠性領域，后來成為民用公司研發(fā)新產品的一種重要手段，主要應用于電子元器件、材料和通用可靠性領域。

根據應力變化情況ALT方法通常劃分為恒定應力、變應力、步進應力、序進應力等幾種試驗類型。ALT方法是利用高應力下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征,其關鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關系，由此實現(xiàn)外推正常應力水平下壽命特征的目的。這種壽命特征與應力水平之間的關系就是加速模型。下面對兩種典型的ALT方法模型進行討論。

3 Arrhenius模型及其應用

3.1 Arrhenius模型

Arrhenius模型[8]是Zui典型、應用Zui廣的ALT模型，主要研究退化量與溫度的關系。其表達式為：

(1)

在式(1)中，Ф為退化量，在照明產品中通常以光通量作為特性參數，表示溫度在T時的退化速率，退化速率是時間t的函數；A0為常數；△E為失效機理激活能，是不隨溫度變化的一個常數；k為玻爾茲曼常數；T為溫度。

根據式(1)，有：

(2)

則：

(3)

設LT=t2-t1，即照明產品在溫度T時從t1開始延續(xù)到t2的壽命，根據式(3)，有：

(4)

在式(4)中，。

式(4)反映了產品壽命LT與溫度T的關系，即產品壽命的對數與溫度的倒數呈線性關系，斜率為B。

根據式(4)，ALT方法的加速系數為：

(5)

(6)

在式(6)中，LT1、LT2是對應兩個不同溫度T1、T2的不同壽命。

3.2 Arrhenius模型的應用

下面以常用的節(jié)能燈為例。試驗標準要求在15～40℃的環(huán)境溫度中進行，燈頭垂直在上。通常環(huán)境溫度Ta取25℃，樣品數n≥10，通常取20支。根據GB19044-2003、GB/T 17263-2002的要求，節(jié)能燈光通維持率在燃點2 000h時不應低于80%，即Lm-25℃≥2000h,額定平均壽命不得低于6 000h，即La-25℃≥6 000h。

從失效機理和溫度應力分析，影響節(jié)能燈可靠性和壽命的因素主要有電子鎮(zhèn)流器和燈管，其中，電子鎮(zhèn)流器關鍵器件有脈沖變壓器、功率三極管、燈絲諧振電容、電解電容、扼流電感等。

在GB16844-2008[7]中，規(guī)定燈頭溫升不得超過120K(E27等)，即145℃(環(huán)境溫度Ta取25℃)，通常工作穩(wěn)定后燈頭溫升20～40K，視不同功率、廠家、型號規(guī)格而定。絕緣材料耐熱溫度通常要求125℃以上。為了摸清樣燈所能承受的溫度和光通量的變化，試驗時先在145℃附近進行摸底試驗。采用恒定應力ALT方法，烘箱溫度Ta分別取100℃、120℃，每次試驗樣燈為20支，每隔100h監(jiān)測樣燈光通量，根據光通量的衰減情況和上述不同標準要求測量出壽命(包括光通維持率)數據，通常試驗溫度和壽命的關系分布如圖2所示。

圖2 恒定應力ALT方法-試驗溫度與壽命的關系

若光通量發(fā)生明顯變化，則縮小監(jiān)測周期，每隔50h監(jiān)測樣燈光通量，必要時逐漸增加測量時間的密度。測量后樣燈繼續(xù)進行老練。

當無法準確測量每個樣燈的具體壽命時，可用以下方法計算：已知樣燈在(ti-1，ti)時間內有l(wèi)j個樣燈失效，可以用等間隔方法估計此lj個樣燈的失效時間，即壽命。即在(ti-1，ti)內第k個失效時間為：

(7)

根據上述標準判定，在一次試驗中，分別測量出樣燈在100℃和120℃溫度下的光通維持率和壽命的平均值為Lm-100℃=159h、La-100℃=428h、Lm-120℃=91h、La-120℃=246h,根據式(5)、式(6)得出，B=4072，，Zui后計算出Lm-25℃=2480h、La-25℃＝6 679h。經過驗證，這個數據與實際壽命較為接近。

采用Arrhenius模型的ALT方法試驗時間通常只需200～400h，比正常試驗的6000h至數萬小時大大縮短。對于LED燈同樣可以測出壽命值。大功率LED燈對溫度特別敏感，一般功耗的75%～85%都轉為熱能。因此，整燈的散熱系統(tǒng)非常重要。溫度不僅會影響壽命，而且會造成相對色溫的漂移。所以，大功率LED燈都配有溫度補償電路和高精度溫度傳感器電路等。

4 Egring模型及其應用

廣義的Egring模型研究退化量與溫度，以及另外一個應力的關系。其表達式為：

(8)

很明顯，式(8)和式(1)相比，增加了一個應力V。這個應力可以是電壓波動因素，也可以是環(huán)境濕度因素等。很多綠色照明產品工作在室外惡劣環(huán)境，如城市路燈、交通信號燈、廣告顯示屏、汽車指示燈等，影響可靠性和壽命因素很多，如開關沖擊、工作環(huán)境振動、沖擊、電源通斷、電源諧波干擾等，可以視具體情況而定。

參照式(4)、式(5)、式(6)，可以證明：

(9)

在式(9)中, (10)

其中, 是與溫度、電壓相關的加速系數。

即在雙重應力條件下，如溫度、電壓同時作用時，壽命加速試驗時間可以大大縮短，通常只需近百個小時。這點有些類似高加速壽命試驗(HALT)，即快速激發(fā)產品的設計缺陷，暴露設計薄弱環(huán)節(jié)，確定產品的工作極限和破壞極限。

以上面第3.2為例，若,則根據式(10)，。很明顯，試驗時間可以大大縮短。

其他一些常見的可靠性和壽命模型還有Weibl分布：

(11)

以及指數分布、對數正態(tài)分布等，這些模型和具體應用和上述討論的類似，限于篇幅在此不一一列舉了。

5 結論

本文探討了綠色照明產品的常見的可靠性和壽命技術標準要求，以及ALT方法和模型，說明ALT方法除了可以在較短時間內檢測出綠色照明產品的壽命，還能應用于綠色照明產品的可靠性試驗中。對一些具體型號規(guī)格的產品可以通過模型修正使之更加接近實際值。這對于研究和提升綠色照明產品的質量，設計符合綠色生態(tài)要求的產品，都具有重要的意義。