智能LED燈具可靠性測試與評價方法探討

李林先，徐紅梅，白金鵬，周葉杰西，金立江，陳 琪，陸佳杰

(浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州 310018)

引言

智能家居是物聯網的一個重要應用。隨著科技的發展，智能家居產業越來越重視家居生活中產生的信息流，以及如何讓這些信息流更好地服務生活[1]。智能LED燈具，作為智能家居的重要組成部分，正逐步走入日常生活。國內外燈具廠商高度重視智能LED燈具產品市場，投入人力物力研發智能LED產品及其控制系統，進一步推動智能LED燈具產品更廣泛的應用[2]。研究智能LED燈具可靠性評價關鍵技術，制定科學可行的可靠性測試流程，使智能LED燈具產品的性能退化評估和可靠性測試現實可行，這將有效地規范智能LED燈具產品的性能評估和可靠性測試，對提高智能LED燈具產品質量和促進智能家居產業的健康發展有重大意義。

1 智能LED燈具的分類

ANSI/VITA 51.2《失效物理可靠性預計》中可靠性預測可評估方法提到的影響因素包括：溫度(溫升值)、有害性、產品本身的電磁兼容特性、沖擊和振動特性、電壓電流特性、環境溫濕度、電源供應、穩定性、試驗過程穩定性、測試數據的可靠性等[5，6]。結合智能LED燈具本身特性，本文主要針對智能LED燈具可靠性中的燈具壽命、安全特性(溫升和故障狀態)、故障率，以及電磁兼容可靠性試驗等相關直觀參數進行討論。

在現實應用過程中，智能LED燈具按照實現原理可分為三類：

1)調光類智能LED燈具(例如：調光0%～100%)，該類燈具主要是通過控制輸出端電流或電壓來實現LED燈珠的發光強度。

2)調色溫類智能LED燈具(同一燈具的不同色溫切換)，該類燈具是通過開關控制燈具內不同色溫的LED芯片的切換來達到色溫不同的切換功能。這種色溫切換型式更像是兩種不同色溫燈具的一個集成體，其智能控制主要依賴于兩路或多路電源輸出的切換來實現色溫的變換。

3)調顏色類智能LED燈具(RGBW等混色燈具多用于舞臺、場景照明等場合)，這類調色燈具主要是通過單顆多色LED芯片通過調光控制器進行調色切換[3]。與調色溫智能LED燈具的區別主要在于調色類LED芯片中含有紅色、藍色、綠色以及增加白光PN結，通過不同的LED芯片引腳來實現不同的顏色激發；而調色溫的LED燈具是通過兩顆或多顆獨立色溫的LED芯片來實現色溫轉變。因此，在這種調色過程中，其LED控制裝置(驅動電源)輸出線路帶有多種信號輸出與同正極、多負極的形式達到調控顏色的目的。

2 光通維持率壽命驗證方法

可靠性研究過程中，產品的預期壽命是主要的一種指標。由于產品的本身特性決定其壽命可能長達十年或者幾十年，傳統的直接測試法存在耗時長、成本高、數據重復性沒有表征性，而導致壽命與故障率測試成為困難。目前，對于智能LED燈具產品的壽命預測技術，常見的標準主要有：IEEE 1413標準《電子系統及裝備可靠性預測和評估的標準方法》和ANSI/VITA 51.2《失效物理可靠性預計》，依據不同產品的表征數據對不同產品壽命進行預測，在有限的數據量情況下實現模型表征電產品的物理化學變化，實現產品的可靠性預測與評估[5，6]。

在可靠性測試過程中，針對以上三種不同形式的智能LED燈具，在GB/T 33721—2017和IES LM-80現行標準的基礎上，增加符合智能LED燈具本身實際情況的條件進行測試(樣品數量為10個)。若燈具所采用的LED芯片已經獲得LM-80測試報告，那么可參考采用1 000 h間接測試方法進行壽命驗證試驗。若燈具所采用的LED芯片未獲得LM-80測試報告，那么需參考采用6 000 h間接測試方法進行壽命驗證試驗。試驗流程按照圖1所示的流程進行。

表1 二次光學材料光衰ΔLo的典型估計值[7]

圖1 試驗方法選擇流程圖[7]Fig.1 Selection flowchart of test method

2.1 測試條件

試驗樣品應在制造商聲稱的工作條件和性能工作溫度tq±2 ℃下進行。并測定圖1中判定是否可以采用1 000 h間接法的參數指標芯片的溫度ts′、電流It′，并對所檢樣品二次光學材料進行判定。在測試過程中，針對不同智能LED燈具產品進行不同的模擬操作。

1)調光類智能LED燈具。無線控制類調光燈具，采用模擬信號輸入的方法，對智能LED燈具產品調光調控，模擬信號的輸入應保證在制造商聲明的調光速度與調光范圍內進行循環式信號輸出，保證調光類智能LED燈具滿足其調光范圍內循環重復進行。機械類調光燈具，采用模擬操作的方式進行調光測試，調光開關應外接與測試環境外，防止對樣品本身測試數據產生影響(注：若無聲稱調光速度說明，則按照20%/s調光速度進行)。

2)調色溫類智能LED燈具。對智能LED燈具產品調色溫調控不論是機械類還是信號輸入調控，按照制造商所提供的開關調整色溫速率對燈具樣品進行開關切換動作循環，使得樣品在不同色溫切換的條件下進行試驗。

3)調色類智能LED燈具。這類RGBW多種顏色不斷切換并伴隨亮度的燈具，擬采用顏色切換的循環方式(顏色依次變換加全功率運作作為一個循環，循環頻率為5次/min)進行壽命試驗。

2.2 壽命驗證試驗

目前已報道的LED芯片光通量衰減案例基本符合自然指數規律，而該試驗方法正是基于燈具流明衰減符合自然指數規律，故而按照GB/T 33721—2017中關于壽命驗證試驗方法是可靠可行的。本文在國標基礎上增加了壽命驗證過程中的調光，調色溫以及調整燈光顏色的操作循環，并對試驗過程中故障率以及電參數變化進行了評估。

1 000 h加速試驗方法和6 000 h 試驗方法，均建立在GB/T 33721—2017中關于壽命驗證試驗基礎上，實驗條件進行過程中，不同種類燈具添加本文的模擬操作。1 000 h依據表2進行，燈具最終測試參數應符合表2中的各項要求。

若需進行6 000 h直接法壽命驗證試驗中燈具在燈具制造商聲稱的工作條件和性能工作溫度tq/tqmax±2 ℃下工作。試驗時間為至少6 000 h，對于聲稱50 000 h的智能LED燈具，測試時間可酌情延長至10 000 h。對于超過50 000 h壽命的樣品可酌情增加試驗時間。在測試過程中每隔1 000 h測量一次光通量。擬合數據與光通維持率的計算方法，參考GB/T 33721 《LED燈具可靠性試驗方法》中關于6 000 h光通維持率的壽命試驗擬合方法。

試驗期間，企業聲稱的光通維持壽命不應超過預測光通維持壽命則判定壽命驗證試驗合格，其各項指標應符合表2中的要求，則產品光通維持性能判定符合燈具宣稱壽命的要求。

表2 實驗條件和考核指標[7]

3 安全特性測試評價方法

目前的LED控制裝置，在檢測過程中，標準條款中關于智能控制部分限制條款存在一定的缺失，而我們實驗過程中，對于調光、調色溫、調顏色的這類控制裝置，試驗項目中多為在穩態狀況下對其安全性能進行測試，本部分在國家標準基礎上提出一種針對具有調控電路的控制部分的要求與試驗方法。

3.1 調控開關電磁電容測試評價

調控開關多數會使得調控電路電容元件以及MOS管等元件斷開是否充分造成影響。而目前的認證檢測過程中多數電磁兼容測試過程中多為穩態測試，未考慮到調控開關過程中造成的電磁脈沖狀態或者其他電磁兼容限制問題。對于調控開關動作是否會對電磁兼容試驗造成影響，開關試驗是否存在電沖擊或者放電異常現象，這部分還未被生產企業所重視。雖然在GB/T 18595—2014標準中提到對快速瞬變進行試驗，但是只針對智能LED燈具中的信號/控制端口進行試驗操作，所規定的試驗電壓0.5kV對于部分智能LED燈具的控制器有的是無法承受的。故而，基于GB/T 18595—2014的快速瞬變要求的基礎上進行優化，再按照GB/T 17626.4—2018的試驗方法進行[8，9]。

表3 快速瞬變試驗等級表[8]

注：該部分重復頻率和上升時間/持續時間/下降時間參數值如果生產廠聲稱值大于動作時間1 s，可適當減少重復頻率增加試驗中上升時間/持續時間/下降時間以保證樣品正常調控開關切換

3.2 調控開關可靠性試驗

通常的智能LED燈具不光是具有調光、調色溫、調整顏色三種中的單獨一種功能，而是更趨向于三種調控集成在一起的情況。故而，在該部分試驗考慮中，應將可以同時打開的功能同時工作，例如調光的過程中，顏色也在逐漸調整。在這樣的設置條件下，進行LED控制裝置的故障狀態試驗和GB 7000.1中的耐久性熱試驗[10]。

GB/T 33721—2017標準的電源開關實驗中，開關試驗采用的是30 s開和30 s關的狀態，而對于目前的智能LED燈具來說，開關不僅僅作為一種電源通斷的控制手段，它同時是作為了色溫變化或者顏色變化的一種信號輸入方式。但是在30 s開和30 s關的試驗條件下，一般智能LED燈具不會進行色溫變化，因為在LED控制裝置部分的信號切換中，斷電時間過長會導致色溫或顏色無法切換的出現。

本文考慮到該情況的出現不利于智能LED燈具產品進行調控開關試驗，綜合不同原理的調控開關問題，開關試驗采用2 s開和2 s斷的方式進行試驗，試驗樣本采用10個，試驗結果考核主要考核兩個參數：燈具和LED控制裝置的溫升變化和故障率。循環次數采用LED燈具所聲稱的壽命的一半，如若無聲稱則進行15 000次試驗。對于調光類型的調控開關，實驗次數與開關試驗次數相同，按照0%→100%→0%的循環，循環一次周期為10 s。

表4 熱試驗實驗條件和考核指標

試驗后，樣品應無明顯損害，且按照GB/T 9468—2008的測試所得光通量相較于初始光通量變化不超過10%，則認為試驗通過。在GB7000.1中的耐久性熱試驗過程中，增加上述調控關通斷操作，并且在試驗結束后，其不同模式下不會出現溫升超過限值現場和發生危害情況。

在基于GB 19510.1故障狀態的條件下，本文考慮增加在開關通斷狀態下，是否存在電容放電不可控現象，輸入或輸出端電壓是否超過標準要求的50 V[11]。在故障狀態試驗過程中擬增加調控開關可能存在的異常操作或信號輸入錯誤的條件下，是否存在零部件發生過熱自然或者放出可燃氣體，此處采用高頻火花發生器進行可燃氣體檢測，并在實驗過程中將薄棉紙包裹線路板操作故障狀態從而檢測是否造成安全危害。

4 結束語

智能LED燈具產品可靠性檢測是當前業界關注的熱點。本文介紹了智能LED燈具的分類，結合IEEE 1413和ANSI/VITA 51.2，在GB/T 33721、GB 7000、GB 19510等標準的基礎上，探討了智能LED燈具產品的光通維持率壽命驗證方法以及安全特性測試評價方法。但是本文提出的智能LED燈具可靠性測試只針對LED燈具實體可靠性測試，其信息安全性考量與測試不在測試范圍內。隨著國家標準的逐步完善，智能LED燈具產品可靠性檢測技術也會越來越集成化和完善化，這將為產品可靠性水平的進一步提高提供參考依據。