文: 蘇文福/品保部
簡鵬輝/研發部

明緯於2008年，正式開發出第一款LED POWER SUPPLY-CLG-150，正式踏入LED蓬勃發展的產業市場。時至今日已超過10年，相關LED系列產品銷售量不計其數。明緯欲追蹤10年前應用於LED 路燈之電源性能及可靠度，故於市場端取得2008年製造之CLG-150 LED電源來進行分析探討。
 
交換式電源供應器依設計的功率與架構不同，可由數十顆零件，甚至數百顆零件組成。每顆零件在設計上都一定有其必要性，所以如何確認實際壽命與信賴性評估一直為各廠牌的竅門，一般電源壽命評估主要由部分關鍵零組件的使用壽命來決定，譬如風扇、鋁質電解電容等。明緯設計的產品壽命評估須通過ORT/DMTBF/冷熱衝擊/Life time驗證，以確保產品壽命與品質。
 
本文主要討論電解電容Life time驗證與壽命評估。
鋁質電解電容(aluminum electrolytic capacitor)受使用條件(溫度，負載等)的影響很大，長時間的運作之下，其電容值減小且損耗角(tanδ）增加，而影響其使用壽命。這種現象主要是由電容中電解質的擴散效應(diffusion effect)所導致，即電解質擴散到外封材料進而散溢到外部。一般鋁質電解電容壽命可使用Arrhenius定律(化學擴散反應速率)為基礎來估算，於一段時間後逐漸乾涸造成容值下降/內阻(ESR)上升而造成電容損壞。當環境溫度增加10℃，其壽命會減少一半，反之，如溫度降低10℃，其壽命會增加1倍。

此外，下圖表示典型的產品壽命期間之故障率曲線圖(浴缸曲線)。


(1)初期故障期間
    為了防止初期故障，在成品出貨之前已篩選出不良零件和做過老化測試，因此S.P.S.交給客戶時大都已進入偶發故障期間。
(2)偶發故障期間
    產品穩定度與其信賴度（MTBF）有關，基本上故障率都很低，但是偶發期間的故障率與使用者的安裝和工作條件（環境溫度、減額、通風、振動）有關。
(3)耗損故障期間
   偶發故障期後產品即進入耗損故障期間，此時大都屬於零件的老化(如風扇、電解電容器)。


使用壽命(life time)與負載(load)及溫度之關係

依上述浴缸曲線來探討，對於偶發故障期間之信賴性與使用者安裝或應用條件（環境溫度、減額、通風、振動）有關。先屏除其他外在影響條件，以環境溫度(Tamb.) 或產品機殼溫度(Tcase)與負載條件執行產品壽命分析探討。
 
明緯產品壽命驗證是以國際知名電解電容製造商提供的計算方式為根據，以CLG-150機型為例，為全灌膠機種, 其設計輸出電容採用10000小時@105℃之日系品牌鋁質電解電容，其電容壽命V.S 負載V.S溫度之關係說明如下。
 

1. 使用壽命與負載及環境溫度之關係. : 如圖(一)

• 使用壽命與負載之關係，當環溫為55℃時，負載操作於100% 其壽命約為35Khrs；當負載減額至75%使用，其壽命約為57Khrs，也就是當負載減額使用至75%，壽命可提升1.6倍。
• 使用壽命與環溫之關係，當負載操作於75% LOAD，其環境溫度操作於55℃其壽命約為57Khrs；當環境溫度下降至45℃，其壽命約增加1倍為114Khrs。

2. 使用壽命與機殼溫度之關係 : 如圖(二)

電氣性能與可靠度分析

實際從市場端取回使用10年的CLG-150產品(2008/12製品-應用於路燈)，分析產品之電氣性能與可靠度，摘要重點如下:
 

• 電氣特性-重要電器規格分析

重要電氣項目	電氣規格	實測值
E.F.F	89%	90.1%
P.F	0.95	0.967
RIPPLE & NOISE	150mv	109mv
SETUP TIME	3000ms	1660 ms
RISE TIME	80ms	23ms
HOLD UP TIME	50ms	56ms
INRUSH CURRENT	65A	46.6A
WITHSTAND VOLTAGE	I/P-O/P:3.75KVAC I/P-FG:2KVAC O/P-FG:0.5KVAC : TEST OK
ISOLATION RESISTANCE	I/P-O/P, I/P-FG, O/P-FG: 100M Ohms / 500VDC	I/P-O/P:22.4GΩ I/P-FG: 20.6GΩ O/P-FG:30 GΩ
小結: 1. 使用10年，滿載E.F.F/P.F仍符合SPEC，表示功率元件(MOS/變壓器)等元件工作損耗仍正常。 2. 輸出電壓漣波/啟動時間/保持時間仍符合SPEC，表示輸入/輸出電解電容壽命，尚未進入老化週期。 3. HI-pot/絕緣阻抗，符合安規要求，表示雷擊/絕緣/防水..等功能，基礎能力正常。

 

• 可靠度特性-電解電容容值分析

電容位置		電容規格	實測值
輸入端高壓電容	C5	150u/450V 105℃ D=0.24 NCC CLA	C:129.6uf  D:0.08   ESR:0.574Ω
輔助電源電容	C120	22u/50V 105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.7Ω	C:20.9uf   D:0.06   ESR:0.43Ω
	C55	100u/25V 105℃ D=0.14 NCC KY ESR=0.22Ω	C:89.4uf   D:0.09   ESR: 0.16Ω
	C42	22u/50V 105℃ D=0.19 RUB. YXM	C:19.9uf   D:0.08   ESR:2.2Ω
	C52	47u/35V 105℃ D=0.12 RUB. ZLH ESR=0.22Ω	C:48.13uf  D:0.06   ESR:0.183Ω
輸出電容	C105	330u/50V  105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.22Ω	C:312uf    D:0.025  ESR:0.037Ω
	C106	330u/50V  105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.22Ω	C:313uf    D:0.025  ESR:0.04Ω
	C107	330u/50V  105℃ D=0.1 NCC KY ESR=0.22Ω	C:312uf    D:0.025  ESR:0.04Ω
	C108	120u/63V 105℃ D=0.09 YXG-LLC ESR=0.25Ω	C:111.7uf  D:0.032  ESR:0.101Ω
小結: 電解電容容值/D值/ESR值均符合零件規格，代表設計及零件選用符合長期信賴性需求。

總結:
明緯設計及零件選用，皆以長期信賴為基礎。佐以目前相關實施之可靠度測試(環測溫升限制/ORT長時間壽命燒機驗證/冷熱衝擊/震動/防水/鹽霧…)，實際從市場端使用10年產品，確認相關參數(電氣/絕緣/零件壽命..)皆正常，亦證明10年前台灣首批配置於路燈之產品品質良好，估計使用10年無問題，佐證了明緯相關可靠度評估，長期使用之可靠度佳。此外，LED驅動電源選購與搭配上需選用高效率的電路設計產品，且零件設計使用高品質電解電容的LED驅動電源，亦為提升燈具壽命之參考方向。

明緯將持續秉持-全面品保/客戶滿意之品質政策，長期提供質、量、成本最佳組合之產品與服務。
 
相關壽命評估與保固說明 請參閱明緯網站