CN107271928A - 一种led灯具温度步降老化试验方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED灯具温度步降老化试验方法。该LED灯具温度步降老化试验方法包括：获取LED灯具的加速寿命；采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；选取样本进行实验设计；计算所述样本的常温寿命。本发明还提供了一种LED灯具温度步降老化试验装置。本发明提供的LED灯具温度步降老化试验方法及LED灯具温度步降老化试验装置可快速实现LED灯具的寿命预测。

Description

一种LED灯具温度步降老化试验方法以及装置

技术领域

本发明涉及LED照明领域，具体涉及一种LED灯具温度步降老化试验方法以及装置。

背景技术

LED作为第四代新型能源，以其长寿命，高效节能等诸多优势被广泛应用于各大照明领域。虽人们对其节能、环保的观点已普遍接受并认可，但对其长寿命及其可靠性一直没有广泛认同。目前整灯的测试方法大部分是参考IESLM-79，测试时间建议至少6000小时，因此如何快速准确的实现LED照明产品寿命预测以及可靠性分析一直是各界研究的热点。

一种快速地实现LED灯具可靠性寿命预测的途径是：对其进行加速老化试验，如恒定应力加速老化和步进应力加速老化。恒定应力加速老化试验，需在至少两个加速应力下，对不同样本，但类型和批次相同的产品分别进行老化，以获取激活能。步进应力加速寿命试验可很好的避免这一点，保证测量的一致性，该方法是对同一组产品逐步进行不同温度下的加速老化。但目前均是基于LED模块实现的多个温度应力的老化，且没有解决LED灯具步进老化寿命预测中的快速和步进温度设计的问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种LED灯具温度步降老化试验方法。所述LED灯具温度步降老化试验方法包括：获取LED灯具的加速寿命；采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；选取样本进行实验设计；计算所述样本的常温寿命。

在一些实施例中，所述采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析具体包括：在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数；基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命。

在一些实施例中，所述获取LED灯具的加速寿命具体包括：根据LED灯具的衰退过程服从e指数衰减和Nelson模型，获取转换时间；计算获取实际加速时间；计算获取灯具的加速寿命。

在一些实施例中，所述在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数具体为：假设退化系数与失效概率的变化符合威布尔分布；在威布尔分布条件下，通过最小二乘法，计算获取灯具的特征衰退系数和形状参数。

在一些实施例中，所述基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命具体为：基于蒙特卡罗仿真，产生N＝10000的退化系数的随机数，并重复该蒙特卡罗仿真m次，每个样本的退化系数为m个中位寿命的平均值；分两个路径综合计算获取对应灯具中位寿命。上述退化系数的随机数可以是随意的数字，N＝10000只是个优选方案。

在一些实施例中，所述分两个路径综合计算获取对应灯具中位寿命具体包括：路径1，采用最小二乘法，求解未知参数；路径2，由产生退化系数的个随机数反推出相应寿命，得到失效概率和寿命的关系：根据失效概率与寿命的关系，计算得到应的灯具中位寿命。

在一些实施例中，所述选取样本进行实验设计具体包括：对样本量进行选择；根据可靠度误差最小原则保存优化目标最小的两个应力水平计算的激活能，常温寿命；根据相对平均寿命误差最小原则，计算相对平均寿命的均方差。

在一些实施例中，所述计算所述样本的常温寿命具体包括：根据阿伦纽斯模型和两个加速温度下的中位寿命值，推导激活能，进而计算获取常温下的寿命。

本发明还提供了一种LED灯具温度步降老化试验装置。所述LED灯具温度步降老化试验装置包括测试系统和计算机；所述计算机用于计算获取LED灯具的加速寿命并采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；

所述测试系统通过对选取的样本进行实验设计并将实验结果反馈给所述计算机；所述计算机还用于计算所述样本的常温寿命。

在一些实施例中，所述采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析具体包括：在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数；基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命。

本发明的技术效果：本发明提供的LED灯具温度步降老化试验方法可快速实现LED灯具的寿命预测，不仅解决了步降老化试验温度设计的问题，而且也实现了对小样本试验的高可靠性建模等问题。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的LED灯具温度步降老化试验方法的流程示意图；

图2为根据本发明一个实施例的LED灯具温度步降老化试验装置的结构示意图；

图3为本发明一个实施例的光衰变化图示意图；

图4为本发明一个实施例的误差分析直方图示意图；

图5为本发明一个实施例的可靠性分布曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图1所示，是本发明提供的一种LED灯具温度步降老化试验方法。所述LED灯具温度步降老化试验方法包括：

S1，获取LED灯具的加速寿命；

S2，采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；

S3，选取样本进行实验设计；

S4，计算所述样本的常温寿命。

所述步骤S2，采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析具体包括：在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数；基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命。

在一些实施例中，所述获取LED灯具的加速寿命具体包括：根据LED灯具的衰退过程服从e指数衰减和Nelson模型，获取转换时间；计算获取实际加速时间；计算获取灯具的加速寿命。LED灯具的衰退过程服从e指数衰减，即

式中，Φ_j为第j(j＝1,2…k)个应力下灯具光通量衰减的相对值，为T_j结温下的退化系数，t_j为T_j应力下的加速时间。

根据Nelson模型，认为LED照明产品在应力水平T_j下工作t_j时间的累积退化量Φ_j与在应力水平T_j+1下，工作某一段时间t_j+1的累积退化量Φ_j+1相等，即

Φ_j+1(t_j+1)＝Φ_j(t_j)

结合上述两个公式可得转换时间为

令LED灯具在T_j+1应力下所监测的加速时间为t_j+1'，由此可得T_j+1应力下的实际加速时间为：

t_{j+1_ture}＝t_j+1’+t_j+1

将上述方程代入第一个式子，可得T_j+1应力下的光衰关系式为：

当Φ_j+1＝0.7，此时的寿命则认为是LED灯具的寿命τ_j+1，因此可得灯具在T_j+1应力下的加速寿命为：

结合上述3个方程,即可求得灯具的加速寿命。

在一些实施例中，所述在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数具体为：假设退化系数与失效概率的变化符合威布尔分布；在威布尔分布条件下，通过最小二乘法，计算获取灯具的特征衰退系数和形状参数。

在一些实施例中，所述基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命具体为：基于蒙特卡罗仿真，产生N＝10000的退化系数的随机数，并重复该蒙特卡罗仿真m次，每个样本的退化系数为m个中位寿命的平均值；分两个路径综合计算获取对应灯具中位寿命。

在一些实施例中，所述分两个路径综合计算获取对应灯具中位寿命具体包括：路径1，采用最小二乘法，求解未知参数；路径2，由产生退化系数的个随机数反推出相应寿命，得到失效概率和寿命的关系：根据失效概率与寿命的关系，计算得到应的灯具中位寿命。

本发明采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析。两阶段法建模方法如图1所示，第一阶段如左侧所示，首先假设退化系数与失效概率的变化符合威布尔分布：

其中为失效概率，为可靠度，η_j为不同应力条件下的特征寿命，m_j为形状参数。其中失效概率采用中位秩法进行计算：

在威布尔分布条件下，通过最小二乘法，求解灯具的特征衰退系数和形状参数。

第二阶段如右侧所示，基于蒙特卡罗仿真，在求解出的威布尔分布场合下，利用MATLAB软件统计工具箱，产生N＝10000的退化系数的随机数，重复该蒙特卡罗仿真m次，每个样本的退化系数为m个中位寿命的平均值。然后分两个路径：路径①，采用最小二乘法，由N个退化系数求解出威布尔分布的形状参数m_j和特征参数η_j的值；路径②，由N个随机退化系数可反推出相应的N个寿命，进而给出失效概率和t的关系：

式中N为产生的随机数的个数，分子表示寿命小于t的随机数个数。可以给出失效概率为F(t)＝50％时，对应的灯具中位寿命τ_0.5。

第3步实验设计

a)样本量的选择

置信度，可靠度与样本数存在如下的关系式：

C＝1-Rⁿ

C为置信度，R为可靠度，n为样本数量。当置信度确定，便可得在一定可靠度前提下的灯具样本数量。

b)温度应力的设计及优化

本发明采用等间隔的方法实现对应力的分配。采用上述的两阶段法计算每个应力水平下的中位寿命，为合理选择两个合适的应力水平，本文设置一个优化目标和一个检验目标，分别为可靠度误差最小和相对平均寿命误差最小，具体步骤如下：

1)优化目标：可靠度误差最小。第j个应力下第i个失效样本的退化系数经过中位秩法计算的失效概率记为对应的可靠度记为经过蒙特卡罗模拟后，根据路径①求解的威布尔分布计算相同的退化系数条件下，对应的失效概率对应的可靠度记为则第i个灯具的可靠度的偏差为：

则n个灯具的可靠度标准差为：

保存优化目标最小的两个应力水平计算的激活能，常温寿命。

2)检验目标：相对平均寿命误差最小。首先对第二阶段蒙特卡罗方法计算的不同应力条件下的N个加速寿命值进行平均值的计算进而计算每一个寿命与平均寿命的相对值重复该过程m次，取其平均值，进而可计算相对平均寿命的均方差：

在一些实施例中，所述选取样本进行实验设计具体包括：对样本量进行选择；根据可靠度误差最小原则保存优化目标最小的两个应力水平计算的激活能，常温寿命；根据相对平均寿命误差最小原则，计算相对平均寿命的均方差。

在一些实施例中，所述计算所述样本的常温寿命具体包括：根据阿伦纽斯模型和两个加速温度下的中位寿命值，推导激活能，进而计算获取常温下的寿命。

c)样本量的选择

置信度，可靠度与样本数存在如下的关系式：

C＝1-Rⁿ

C为置信度，R为可靠度，n为样本数量。当置信度确定，便可得在一定可靠度前提下的灯具样本数量。

d)温度应力的设计及优化

本发明采用等间隔的方法实现对应力的分配。采用上述的两阶段法计算每个应力水平下的中位寿命，为合理选择两个合适的应力水平，本文设置一个优化目标和一个检验目标，分别为可靠度误差最小和相对平均寿命误差最小，具体步骤如下：

1)优化目标：可靠度误差最小。第j个应力下第i个失效样本的退化系数经过中位秩法计算的失效概率记为对应的可靠度记为经过蒙特卡罗模拟后，根据路径①求解的威布尔分布计算相同的退化系数条件下，对应的失效概率对应的可靠度记为则第i个灯具的可靠度的偏差为：

则n个灯具的可靠度标准差为：

保存优化目标最小的两个应力水平计算的激活能，常温寿命。

2)检验目标：相对平均寿命误差最小。首先对第二阶段蒙特卡罗方法计算的不同应力条件下的N个加速寿命值进行平均值的计算进而计算每一个寿命与平均寿命的相对值重复该过程m次，取其平均值，进而可计算相对平均寿命的均方差：

第4步常温寿命推导

根据阿伦纽斯模型和两个加速温度下的中位寿命值，可推导激活能：

式中k为波尔兹曼常数，和分别为两个结温下的中位寿命。T_j，T_j+1分别为两个加速条件下的结温。进而可得常温下的寿命：

式中τ_{0_0.5j}为常温中位寿命，为加速中位寿命。T_0j为常温下的结温。

本发明的有益效果：

1)本发明所述的方法，在保证测量一致性的基础上，首次实现了LED灯具的步降应力加速老化试验和设计；

2)本发明解决了步降老化试验中温度应力设计的问题，实现了两个应力对LED灯具寿命的精确预测；

3)本发明将两阶段法应用于步降应力的可靠性建模，解决了少量灯具的低可靠性寿命预测的问题。

如图2所示，本发明还提供了一种LED灯具温度步降老化试验装置100。所述LED灯具温度步降老化试验装置100包括测试系统110和计算机120；所述计算机120用于计算获取LED灯具的加速寿命并采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；

所述测试系统110通过对选取的样本进行实验设计并将实验结果反馈给所述计算机；所述计算机120还用于计算所述样本的常温寿命。

在一些实施例中，所述采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析具体包括：在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数；基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命。

下面结合具体实例对本发明的工作过程做进一步说明。

光通量测试温度为室温25℃。本实验选用的步降环境温度分别为90度,80度,70度,60度，实验前采用光谱分析法测得其对应的结温分别为398.15K，389.15K，381.15,373.15K。25度对应的结温为347.15K。测试样本为飞利浦灯具，样本量n为10，该批灯具的显色指数大于80，相关色温为3000K。样本在4个温度下的加速测试时间t_j+1'分别为633，515，785和825小时。实验所测的光衰数据如图3所示，图中纵坐标为相对光通量衰减的百分比，横坐标为加速测试时间，由图可知，93小时之前的数据波动相对略大，因此按照IESLM-79标准的要求。

本发明的具体设计步骤如下：

第1步步降转换模型

90度LED灯具的衰退过程服从e指数衰减，即

其中，t₉₀＝t₉₀'，结合图3的数据，采用最小二乘法，根据上式便可得90度应力的加速寿命τ₉₀，如表1的第2行所示。根据Nelson模型，则有

Φ₉₀(t₉₀)＝Φ₈₀(t₈₀)

则可得转换时间为

由此可得t₈₀应力下的实际加速时间为：

t_{80_ture}＝t₈₀’+t₈₀

进而可得T₈₀应力下的光衰关系式为：

由此可得80度应力下的LED灯具的加速寿命τ₈₀：

以此类推，可分别获得70度和60度应力条件下的加速寿命。如表1第3,4,5行所示。由表可知，90度，80度，70度，60度条件下的加速寿命分别为2610-3794，3641-5048，4753-7417,7329-10959小时左右。

表1：不同应力条件下的加速寿命

温度	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											90	2610	2666	2676	2903	2949	2994	3049	3145	3781	3794
80	3641	3657	3710	3726	3982	4647	4751	4771	5011	5048
											70	4753	4778	5712	6563	6594	6653	7004	7038	7346	7417
60	7329	7534	8187	8968	9808	10270	10360	10595	10751	10959

第二步两阶段建模方法

两阶段法的第一阶段，90度的退化系数与失效概率的变化符合威布尔分布：

中位秩方法计算的失效概率如表3第2行所示。进而在威布尔分布条件下，通过最小二乘法，拟合计算90度应力下对应的特征参数和形状参数，如表2第二，三行所示。

表2：不同应力下的形状参数，特征参数，中位寿命

温度	90度	80度	70度	60度
					形状参数	8.0953	7.2471	5.7762	6.5185
特征参数	1.2549e-04	9.0064e-05	6.1868e-05	4.1196e-05
					中位寿命	2978	4350	6443	9576

第二阶段首先基于蒙特卡罗仿真，在求解出的90度应力的威布尔分布场合下，利用MATLAB软件统计工具箱，产生N＝10000的退化系数的随机数，重复该过程5次，每个样本的退化系数取5次测试的平均值。根据路径②，可按从小到大的顺序反推出相应的10000个寿命，如表3第2行所示，由表可知，90度条件下的加速寿命为2203-15706小时。

表3，蒙特卡罗模拟计算的部分寿命值

进而给出90度应力下的失效概率和t的关系：

进而可以给出失效概率为F(t)＝50％时，对应的90度应力下灯具中位寿命τ_0.5。依此类推，可分别计算失效概率为50％时，80度，70度，60度条件下对应的中位寿命值。如表二第四行所示，分别为2978,4350,6443,9576小时。

第3步实验设计

a)样本量的选择

本文选取的样本量为10，可靠度分别设置为36.8％，50％，90％，95％，进而可得对应的置信度为99.995％，99.902％，65.132％，40.126％。

b)温度应力的设计及优化

首先进行可靠度误差的计算。采用中位秩法计算不同应力条件下，退化系数对应的失效概率如表4第2行所示，进而可得对应的可靠度经过蒙特卡罗模拟后，根据路径①求解的威布尔分布计算相同的退化系数条件下，对应的失效概率为不同应力条件对应的值分别如表4第3,4,5,6行所示，进而可分别获得各个应力下的可靠度由此计算90度，80度，70度和60度应力条件下对应的可靠度误差分别为0.0632，0.1024，0.1291，0.1063。因此可知，90度的可靠度误差最小，80度和60度的比较接近，70度的相对略大，误差大小如图4柱状图所示。

表4，不同温度下失效概率计算的结果

其次进行相对平均寿命误差的计算。首先对第二阶段蒙特卡罗方法计算的不同应力条件下的N＝10000个加速寿命值进行平均值的计算，如表5第一行所示，进而可计算加速寿命与平均寿命的相对值其次，可得相对平均寿命误差如表5第2行所示，由表可知，90度，80度的误差相对较小，误差大小如图4柱状图所示。由图可明显发现，90度和80度的应力条件相对更好。

表5，平均寿命误差表

温度	90度	80度	70度	60度
					平均值(小时)	3093	5046	7642	11161
误差	0.1791	0.1984	0.2325	0.2022

第4步常温寿命推导

结合90度和80度计算的中位寿命值，可计算激活能为

进而可得失效概率为50％时，对应的常温寿命为：

由表二可知，90度条件下的形状参数为8.0953，则25度条件下的形状参数同为8.0953，由4.2部分可得常温25度的中位寿命为33055小时，因此可计算可靠性曲线的特征寿命为：

进而可得曲线方程为

可靠性分布曲线如图5所示，由图可知，当失效概率分别为63.2％，50％，10％和5％时，对应的寿命分别为3.48,3.33,2.64,2.43万小时，对应的可靠度分别为36.8％，50％，90％，95％，根据公式(12)可得对应的置信度为99.995％，99.902％，65.132％，40.126％。

本发明提供的LED灯具温度步降老化试验方法以及LED灯具温度步降老化试验装置的有益效果：

1)本发明所述的方法，在保证测量一致性的基础上，首次实现了LED灯具的步降应力加速老化试验和设计；

2)本发明解决了步降老化试验中温度应力设计的问题，实现了两个应力对LED灯具寿命的精确预测；

3)本发明将两阶段法应用于步降应力的可靠性建模，解决了少量灯具的低可靠性寿命预测的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，包括：

获取LED灯具的加速寿命；

采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；

选取样本进行实验设计；

计算所述样本的常温寿命。

2.根据权利要求1所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析具体包括：

在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数；

基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命。

3.根据权利要求1或2所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述获取LED灯具的加速寿命具体包括：

根据LED灯具的衰退过程服从e指数衰减和Nelson模型，获取转换时间；计算获取实际加速时间；

计算获取灯具的加速寿命。

4.根据权利要求2所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数具体为：假设退化系数与失效概率的变化符合威布尔分布；

在威布尔分布条件下，通过最小二乘法，计算获取灯具的特征衰退系数和形状参数。

5.根据权利要求2所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命具体为：

基于蒙特卡罗仿真，产生退化系数的随机数，并重复该蒙特卡罗仿真m次，每个样本的退化系数为m个中位寿命的平均值；

分两个路径综合计算获取对应灯具中位寿命。

6.根据权利要求5所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述分两个路径综合计算获取对应灯具中位寿命具体包括：

路径1，采用最小二乘法，求解未知参数；

路径2，由产生退化系数的个随机数反推出相应寿命，得到失效概率和寿命的关系：

根据失效概率与寿命的关系，计算得到应的灯具中位寿命。

7.根据权利要求1所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述选取样本进行实验设计具体包括：

对样本量进行选择；

根据可靠度误差最小原则保存优化目标最小的两个应力水平计算的激活能，常温寿命；

根据相对平均寿命误差最小原则，计算相对平均寿命的均方差。

8.根据权利要求7所述的LED灯具温度步降老化试验方法，其特征在于，所述计算所述样本的常温寿命具体包括：

根据阿伦纽斯模型和两个加速温度下的中位寿命值，推导激活能，进而计算获取常温下的寿命。

9.一种LED灯具温度步降老化试验装置，其特征在于，包括测试系统和计算机；

所述计算机用于计算获取LED灯具的加速寿命并采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析；

所述测试系统通过对选取的样本进行实验设计并将实验结果反馈给所述计算机；

所述计算机还用于计算所述样本的常温寿命。

10.根据权利要求9所述的LED灯具温度步降老化试验装置，其特征在于，所述采用两阶段法来实现LED灯具的可靠性分析具体包括：

在威布尔分布条件下，获取灯具的特征衰退系数和形状参数；

基于蒙特卡罗仿真，获取对应灯具中位寿命。