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专利号: 2016110231603
申请人: 电子科技大学中山学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:包括:

LED灯具可靠性结构分析;

LED的性能退化机理及其数学模型;

电源模块的性能退化及其数学模型;

随机冲击对LED灯具系统各结构的影响;

考虑性能退化的相关性和定向传播的系统级建模;

LED灯具可靠性设计优化;

得到性能退化模型。

2.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述LED灯具可靠性结构分析指:LED灯具系统从结构上包括LED芯片、电源模块、散热系统、防水以及灯具结构五大部分,其中LED芯片和电源模块是LED灯具系统的核心,是可靠性分析和建模的主要研究对象,分析LED灯具可靠性从以下五个方面分析:电源模块或者LED芯片任一模块失效,LED灯具系统失效;

散热和防水的性能优劣将影响电源和LED芯片的性能;

电源性能的退化会向LED芯片模块定向传播;

电源模块的退化和LED芯片的退化具有相关性;

LED灯具整体性能最终由LED芯片的性能决定。

3.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述LED的性能退化机理及其数学模型指:LED性能的退化指其光通量的退化,其失效和寿命的定义与普通半导体器件不同,普通半导体器件的寿命定义是基于统计意义上的平均无故障工作时间,而LED的失效和寿命定义是基于光通量的退化量而确定的,目前照明用LED主要以白光LED为主,其中又以蓝光LED加荧光粉的白光LED结构最多,分析其组成结构可知其性能的退化包含了以下几个部分:荧光粉在较高温度下的性能衰退,蓝光LED晶片自身的性能衰退,固晶底胶的性能退化,以及其他封装材料引起的光衰;

按照LED灯具寿命的定义:其光通量下降到某一预定阀值所用的小时数,普通照明用灯具该阀值为初始光通量的70%,装饰性LED灯具为初始光通量的50%,即当灯具的光通量下降到改阀值后,便认为其已经失效;

灯具的光通量由LED芯片的光通量决定,为此首先定义LED芯片性能退化的数学描述方法,LED光通量是随着时间递减的,光通量是时间的函数;由于生产加工过程的不确定性,光通量又具有其随机性,为此我们借鉴退化路径的方法来描述LED芯片的退化行为,退化路径的数学描述有两种:通用加性退化路径模型:D(t;X,θ)=X·η(t;θ);

通用乘性退化路径模型:D(t;X,θ)=η(t;θ)+X;

其中η(t;θ)表示平均退化路径,是参数为θ的时间的函数,随机变量X代表了在平均退化路径的基础上的退化过程的随机特性,其累计分布函数为FX,密度函数为fX,平均退化路径是单调递增的或单调递减的。

4.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述电源模块的性能退化及其数学模型指:LED驱动电源的输出电流随着时间的推移呈现上升的趋势,但是叠加了一个非平稳的随机序列,通过回归分析可以得到输出电流变化的大致趋势,将输出电流监测样本数据与回归结果做差得到非平稳的随机序列,通过正态检验,得到该序列具有正态分布的特征,因此输出电流整体变化趋势具有参数漂移的Wiener过程的特点,即输出电流随时间的变化规律可以表示为:I(t)=I0+x(t)=I0+ρt+ξw(t);

其中I0为初始电流值,根据制造厂家的生成工艺和一致性水平,满足一定的分布;ρ为漂移系数,表征了电流的退化系数,与测试应力有关,w(t)为标准的Winner过程,参数ξ反映了Winner过程的扩散,对于同一批次被测模块,忽略其初始电流的差别,仅在不同应力下观察电流性能退化量,通过数据拟合的方法得到电源退化表达式中的各个参数,电源模块退化量和故障函数表达式:D2(t)=I0+ρt+ξw(t)

F2(t)=Pr(D2(t)>ID)

其中ID为判定电源退化至失效状态的阀值。

5.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述随机冲击对LED灯具系统各结构的影响指:LED灯具在使用过程中会受到来自外界的随机冲击的影响,其中在LED灯具中会受到随机冲击影响的模块主要有电源和LED芯片,假设冲击服从速率为λ的齐次泊松过程{N(t),t≥0},每次冲击以概率p(t)直接导致系统失效,即随机冲击将以速率为λ·p(t)的非齐次泊松过程造成系统直接失效,称为致命冲击,截至时间t致命冲击的次数记做N1(t),此外冲击以概率q(t)=1-p(t)对系统各模块造成性能退化,称之为非致命冲击,截至时间t非致命冲击的次数记做N2(t),存在关系N(t)=N1(t)+N2(t),N1(t)取值属于{0,1};

第i次冲击对系统的退化量记做{ωi1,ωi2},其中ωi1表示对电源的性能退化分量,ωi1表示冲击对LED芯片造成的性能退化分量,假设ωij为非负的独立同分布随机变量,其分布函数为Qj(x),j=1,2,时间为t时,发生的非致命冲击次数记做M=N2(t),则非致命冲击对电源模块的性能退化量的分布为Q1(x)的M重卷积, 非致命冲击对LED芯片造成的性能退化量的分布为 假设ωi1

服从参数为μ的指数分布, 为M各服从指数分布的独立同分布随机变量之和的概率分布,则 服从形状参数为整数的伽玛分布,Erlang分布,即以LED芯片为例,LED芯片自身的退化特性用退化路径模型表示,记做D2(t)=X2·η(t;

θ),非致命冲击对LED芯片造成的退化量为复合泊松过程,记做 可得LED芯片总的退化量,记做M2(t)=D2(t)+S2(t),对于电源模块则有M1(t)=D1(t)+S1(t),LED灯具系统的可靠度函数表示为:

其中Φ(M1(t),M2(t))表示两个性能退化模块构成的系统的可靠度函数,表示不发生致命冲击的概率。

6.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述考虑性能退化的相关性和定向传播的系统级建模指:性能退化的的定向传播指的是当电源模块的性能退化,如控制精度性能退化,或是由于电源出现某种故障,导致电源发热严重,这些因素都会向灯具中的LED芯片传播,导致LED芯片的退化加速。

7.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述LED灯具可靠性设计优化指:LED灯具核心模块为电源和LED芯片,核心模块的性能对系统的可靠性起主要作用,LED灯具内部温度对电源模块和LED芯片的性能退化都有非常直接的影响,因而散热模块的性能将直接影响核心模块的退化加速因子,防水性能对LED灯具可靠性的影响主要体现在对外界冲击的抵御能力,决定了随机冲击的到达速率,综上所述,LED灯具各模块的性能表现对灯具的系统可靠性都将产生直接或间接的影响。

8.根据权利要求1所述的一种考虑模块间相关性的LED灯具建模方法,其特征在于:所述得到性能退化模型指:通过对电源和LED芯片性能退化数据的分析,得到电源模块和LED芯片性能退化模型在单独工作条件下的性能退化模型。