智能LED灯具可靠性测试与评价方法探讨

李林先，徐红梅，白金鹏，周叶杰西，金立江，陈 琪，陆佳杰

(浙江方圆检测集团股份有限公司，浙江 杭州 310018)

引言

智能家居是物联网的一个重要应用。随着科技的发展，智能家居产业越来越重视家居生活中产生的信息流，以及如何让这些信息流更好地服务生活[1]。智能LED灯具，作为智能家居的重要组成部分，正逐步走入日常生活。国内外灯具厂商高度重视智能LED灯具产品市场，投入人力物力研发智能LED产品及其控制系统，进一步推动智能LED灯具产品更广泛的应用[2]。研究智能LED灯具可靠性评价关键技术，制定科学可行的可靠性测试流程，使智能LED灯具产品的性能退化评估和可靠性测试现实可行，这将有效地规范智能LED灯具产品的性能评估和可靠性测试，对提高智能LED灯具产品质量和促进智能家居产业的健康发展有重大意义。

1 智能LED灯具的分类

ANSI/VITA 51.2《失效物理可靠性预计》中可靠性预测可评估方法提到的影响因素包括：温度(温升值)、有害性、产品本身的电磁兼容特性、冲击和振动特性、电压电流特性、环境温湿度、电源供应、稳定性、试验过程稳定性、测试数据的可靠性等[5，6]。结合智能LED灯具本身特性，本文主要针对智能LED灯具可靠性中的灯具寿命、安全特性(温升和故障状态)、故障率，以及电磁兼容可靠性试验等相关直观参数进行讨论。

在现实应用过程中，智能LED灯具按照实现原理可分为三类：

1)调光类智能LED灯具(例如：调光0%～100%)，该类灯具主要是通过控制输出端电流或电压来实现LED灯珠的发光强度。

2)调色温类智能LED灯具(同一灯具的不同色温切换)，该类灯具是通过开关控制灯具内不同色温的LED芯片的切换来达到色温不同的切换功能。这种色温切换型式更像是两种不同色温灯具的一个集成体，其智能控制主要依赖于两路或多路电源输出的切换来实现色温的变换。

3)调颜色类智能LED灯具(RGBW等混色灯具多用于舞台、场景照明等场合)，这类调色灯具主要是通过单颗多色LED芯片通过调光控制器进行调色切换[3]。与调色温智能LED灯具的区别主要在于调色类LED芯片中含有红色、蓝色、绿色以及增加白光PN结，通过不同的LED芯片引脚来实现不同的颜色激发；而调色温的LED灯具是通过两颗或多颗独立色温的LED芯片来实现色温转变。因此，在这种调色过程中，其LED控制装置(驱动电源)输出线路带有多种信号输出与同正极、多负极的形式达到调控颜色的目的。

2 光通维持率寿命验证方法

可靠性研究过程中，产品的预期寿命是主要的一种指标。由于产品的本身特性决定其寿命可能长达十年或者几十年，传统的直接测试法存在耗时长、成本高、数据重复性没有表征性，而导致寿命与故障率测试成为困难。目前，对于智能LED灯具产品的寿命预测技术，常见的标准主要有：IEEE 1413标准《电子系统及装备可靠性预测和评估的标准方法》和ANSI/VITA 51.2《失效物理可靠性预计》，依据不同产品的表征数据对不同产品寿命进行预测，在有限的数据量情况下实现模型表征电产品的物理化学变化，实现产品的可靠性预测与评估[5，6]。

在可靠性测试过程中，针对以上三种不同形式的智能LED灯具，在GB/T 33721—2017和IES LM-80现行标准的基础上，增加符合智能LED灯具本身实际情况的条件进行测试(样品数量为10个)。若灯具所采用的LED芯片已经获得LM-80测试报告，那么可参考采用1 000 h间接测试方法进行寿命验证试验。若灯具所采用的LED芯片未获得LM-80测试报告，那么需参考采用6 000 h间接测试方法进行寿命验证试验。试验流程按照图1所示的流程进行。

表1 二次光学材料光衰ΔLo的典型估计值[7]

图1 试验方法选择流程图[7]Fig.1 Selection flowchart of test method

2.1 测试条件

试验样品应在制造商声称的工作条件和性能工作温度tq±2 ℃下进行。并测定图1中判定是否可以采用1 000 h间接法的参数指标芯片的温度ts′、电流It′，并对所检样品二次光学材料进行判定。在测试过程中，针对不同智能LED灯具产品进行不同的模拟操作。

1)调光类智能LED灯具。无线控制类调光灯具，采用模拟信号输入的方法，对智能LED灯具产品调光调控，模拟信号的输入应保证在制造商声明的调光速度与调光范围内进行循环式信号输出，保证调光类智能LED灯具满足其调光范围内循环重复进行。机械类调光灯具，采用模拟操作的方式进行调光测试，调光开关应外接与测试环境外，防止对样品本身测试数据产生影响(注：若无声称调光速度说明，则按照20%/s调光速度进行)。

2)调色温类智能LED灯具。对智能LED灯具产品调色温调控不论是机械类还是信号输入调控，按照制造商所提供的开关调整色温速率对灯具样品进行开关切换动作循环，使得样品在不同色温切换的条件下进行试验。

3)调色类智能LED灯具。这类RGBW多种颜色不断切换并伴随亮度的灯具，拟采用颜色切换的循环方式(颜色依次变换加全功率运作作为一个循环，循环频率为5次/min)进行寿命试验。

2.2 寿命验证试验

目前已报道的LED芯片光通量衰减案例基本符合自然指数规律，而该试验方法正是基于灯具流明衰减符合自然指数规律，故而按照GB/T 33721—2017中关于寿命验证试验方法是可靠可行的。本文在国标基础上增加了寿命验证过程中的调光，调色温以及调整灯光颜色的操作循环，并对试验过程中故障率以及电参数变化进行了评估。

1 000 h加速试验方法和6 000 h 试验方法，均建立在GB/T 33721—2017中关于寿命验证试验基础上，实验条件进行过程中，不同种类灯具添加本文的模拟操作。1 000 h依据表2进行，灯具最终测试参数应符合表2中的各项要求。

若需进行6 000 h直接法寿命验证试验中灯具在灯具制造商声称的工作条件和性能工作温度tq/tqmax±2 ℃下工作。试验时间为至少6 000 h，对于声称50 000 h的智能LED灯具，测试时间可酌情延长至10 000 h。对于超过50 000 h寿命的样品可酌情增加试验时间。在测试过程中每隔1 000 h测量一次光通量。拟合数据与光通维持率的计算方法，参考GB/T 33721 《LED灯具可靠性试验方法》中关于6 000 h光通维持率的寿命试验拟合方法。

试验期间，企业声称的光通维持寿命不应超过预测光通维持寿命则判定寿命验证试验合格，其各项指标应符合表2中的要求，则产品光通维持性能判定符合灯具宣称寿命的要求。

表2 实验条件和考核指标[7]

3 安全特性测试评价方法

目前的LED控制装置，在检测过程中，标准条款中关于智能控制部分限制条款存在一定的缺失，而我们实验过程中，对于调光、调色温、调颜色的这类控制装置，试验项目中多为在稳态状况下对其安全性能进行测试，本部分在国家标准基础上提出一种针对具有调控电路的控制部分的要求与试验方法。

3.1 调控开关电磁电容测试评价

调控开关多数会使得调控电路电容元件以及MOS管等元件断开是否充分造成影响。而目前的认证检测过程中多数电磁兼容测试过程中多为稳态测试，未考虑到调控开关过程中造成的电磁脉冲状态或者其他电磁兼容限制问题。对于调控开关动作是否会对电磁兼容试验造成影响，开关试验是否存在电冲击或者放电异常现象，这部分还未被生产企业所重视。虽然在GB/T 18595—2014标准中提到对快速瞬变进行试验，但是只针对智能LED灯具中的信号/控制端口进行试验操作，所规定的试验电压0.5kV对于部分智能LED灯具的控制器有的是无法承受的。故而，基于GB/T 18595—2014的快速瞬变要求的基础上进行优化，再按照GB/T 17626.4—2018的试验方法进行[8，9]。

表3 快速瞬变试验等级表[8]

注：该部分重复频率和上升时间/持续时间/下降时间参数值如果生产厂声称值大于动作时间1 s，可适当减少重复频率增加试验中上升时间/持续时间/下降时间以保证样品正常调控开关切换

3.2 调控开关可靠性试验

通常的智能LED灯具不光是具有调光、调色温、调整颜色三种中的单独一种功能，而是更趋向于三种调控集成在一起的情况。故而，在该部分试验考虑中，应将可以同时打开的功能同时工作，例如调光的过程中，颜色也在逐渐调整。在这样的设置条件下，进行LED控制装置的故障状态试验和GB 7000.1中的耐久性热试验[10]。

GB/T 33721—2017标准的电源开关实验中，开关试验采用的是30 s开和30 s关的状态，而对于目前的智能LED灯具来说，开关不仅仅作为一种电源通断的控制手段，它同时是作为了色温变化或者颜色变化的一种信号输入方式。但是在30 s开和30 s关的试验条件下，一般智能LED灯具不会进行色温变化，因为在LED控制装置部分的信号切换中，断电时间过长会导致色温或颜色无法切换的出现。

本文考虑到该情况的出现不利于智能LED灯具产品进行调控开关试验，综合不同原理的调控开关问题，开关试验采用2 s开和2 s断的方式进行试验，试验样本采用10个，试验结果考核主要考核两个参数：灯具和LED控制装置的温升变化和故障率。循环次数采用LED灯具所声称的寿命的一半，如若无声称则进行15 000次试验。对于调光类型的调控开关，实验次数与开关试验次数相同，按照0%→100%→0%的循环，循环一次周期为10 s。

表4 热试验实验条件和考核指标

试验后，样品应无明显损害，且按照GB/T 9468—2008的测试所得光通量相较于初始光通量变化不超过10%，则认为试验通过。在GB7000.1中的耐久性热试验过程中，增加上述调控关通断操作，并且在试验结束后，其不同模式下不会出现温升超过限值现场和发生危害情况。

在基于GB 19510.1故障状态的条件下，本文考虑增加在开关通断状态下，是否存在电容放电不可控现象，输入或输出端电压是否超过标准要求的50 V[11]。在故障状态试验过程中拟增加调控开关可能存在的异常操作或信号输入错误的条件下，是否存在零部件发生过热自然或者放出可燃气体，此处采用高频火花发生器进行可燃气体检测，并在实验过程中将薄棉纸包裹线路板操作故障状态从而检测是否造成安全危害。

4 结束语

智能LED灯具产品可靠性检测是当前业界关注的热点。本文介绍了智能LED灯具的分类，结合IEEE 1413和ANSI/VITA 51.2，在GB/T 33721、GB 7000、GB 19510等标准的基础上，探讨了智能LED灯具产品的光通维持率寿命验证方法以及安全特性测试评价方法。但是本文提出的智能LED灯具可靠性测试只针对LED灯具实体可靠性测试，其信息安全性考量与测试不在测试范围内。随着国家标准的逐步完善，智能LED灯具产品可靠性检测技术也会越来越集成化和完善化，这将为产品可靠性水平的进一步提高提供参考依据。