LED路灯恒流驱动电源可靠性容差设计技术的研究[1]

　　1 引言

　　由于电子电路中大量元器件的参数值在实际工作时会受加工分散性、外部环境和退化效应的影响而偏离标称值，造成电子电路的输出特性发生偏移，并且电路中有些元器件参数值的微小偏移会造成输出特性的剧烈变化[1-2]。电子电路中寄生参数的存在、输入特性的波动以及外界的电磁干扰也会对电子系统的稳定性产生影响。电子线路的可靠性容差设计可以有效地解决以上问题，提高电子系统的可靠性。本文研究的 LED 路灯恒流驱动电源是用于驱动串联型大功率 LED 路灯的专用电源，其可靠性直接影响着整个 LED 照明系统的可靠性。LED 驱动电源的正向电流、工作电压及其所处的环境又会影响 LED 的光通量和寿命。如果 LED 驱动电源的输出特性与设计要求之间的偏差在容许的范围内，则LED 照明装置仍能正常工作，否则将导致照明装置发生故障。针对 LED 驱动电源进行基于 EDA 的可靠性容差设计能够实现电路性能与可靠性的并行分析与设计，最终得到影响电路性能的关键元器件及其容差设计方案。

　　针对电子线路进行可靠性设计吸引了很多学者的关注。近年来，有学者采用均匀试验和正交试验等数学试验方法对开关电源控制电路和电子镇流器进行了参数优化设计。这样可以在保证性能指标的前提下极大地提高电子电路的可靠性[3-4]。然而这些方法集中在电子线路的系统设计和参数设计上，并没有针对电路进行容差分析和设计。可靠性容差分析方法包括蒙特-卡罗分析、最坏情况分析、区间分析和仿射分析等方法，由于这些方法都需要建立电路的数学模型，虽然可以对一些简单的电路进行容差分析，但涉及到较大规模的电子电路时则无能为力[1-3]。利用 EDA 强大的建模和计算功能对电子电路进行可靠性容差设计，可以较好地解决这个问题。并且这种方法已经应用于铁路机车用混合接触器、司控器和滤波器等装置的容差设计中[5-7]。但是，这些方法只考虑到元器件的加工分散性，且仍存在工作量较大的问题。

　　本文首先在前人工作的基础上提出了考虑温度效应可靠性容差设计，充分采用正交试验，均匀试验和回归分析的数学手段，进一步改进了基于 EDA的可靠性容差设计方法。通过对 LED 恒流驱动电源进行可靠性容差设计，一方面有利于控制电路输出特性的一致性;另一方面在保证电路可靠性指标的前提下，降低生产成本。

　　2 可靠性容差设计方法

　　电路容差设计过程包括灵敏度分析，容差分析和容差分配。通过灵敏度分析，可以找到影响输出特性的关键元器件;通过容差分析，可以得到各设计变量的偏差对输出特性的影响，并以此对容差分配方案进行检验;通过容差分配，可以将输出特性的允许偏差分配到各相关设计变量中，为各变量的设计提供依据。最后，通过温度效应仿真来分析电子系统工作在宽温度范围内的可靠度。

　　2.1 基于正交试验的灵敏度分析

　　电路灵敏度是指电路的输出特性对每个电路元器件参数的敏感程度。通常采用相对灵敏度来判断因素对目标特性的影响程度，定义为电路输出特性的相对变化量与元器件参数的相对变化量之比[8]。设f =f(x1,x2,…,xn)，f 为电路的输出特性，xi为电路的输入特性。若 x10,x20,…,xn0是 n 个元器件的参数中心值，那么相对灵敏度的数学表达式为

　　当系统内部元器件较多时，灵敏度分析的工作量将会非常大，因此必须借助试验设计的方法来合理安排试验。正交试验设计正是用于多因素试验的一种方法，它是从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验，这些点具有“均匀”和“整齐”的特点，具有很高的效率及广泛的应用。在正交试验设计中，一般利用极差分析法来进行灵敏度分析。

　　2.2 基于均匀试验的容差分析

　　容差分析最常用的方法是蒙特-卡罗分析。其原理是当电路组成部分的参数服从某种分布时，由电路组成部分参数抽样值来分析电路性能参数偏差的一种统计分析方法。这种方法的分析结果与实际情况最为接近，但其缺点是需要进行大量的试验。容差分析过程中存在试验因素多、且每个因素水平较多的问题。针对该问题可以利用均匀试验设计的方法来解决。均匀试验设计相对于全面试验和正交试验设计的优点是大幅度地减少试验次数，缩短试验周期，同时又不失代表性。本文采用均匀试验方法在容差分配方案空间中选取具有代表性的几组方案进行容差分析。

　　2.3 基于回归分析的容差方案选择

　　设通过均匀试验得到 p 个灵敏元器件的 n 组观测数据其多元线性回归模型可表示为

　　本文通过求解回归系数矩阵，来拟合得到合格率与各相关设计变量之间的关系。求出线性回归方程后，还需要对回归方程进行显著性检验，以检验相关变量之间是否存在显著的线性关系。采用该关系即可得到符合要求的可靠性容差设计方案。

　　2.4 可靠性容差设计流程

　　利用 EDA 仿真技术提出的新的可靠性容差设计方法的流程图如图 1 所示。由流程图可知电子线路可靠性容差设计方法主要由以下两个过程组成：第一个过程为流程图中 1～3，主要是确定电路的性质及可靠度要求，并采用合适的 EDA 软件进行仿真。第二个过程是流程图中 4～9，利用电子线路的 EDA 模型，采用蒙特-卡罗分析、正交试验、均匀试验和回归分析等数学方法进行容差分析和分配，最后得到容差设计结果。若没有符合要求的容差分配方案，则需要执行 10 重新进行电路的参数设计。

　　图1 电子线路可靠性容差设计流程图

　　3 LED 路灯恒流驱动电源的可靠性指标及建模

　　3.1 LED 恒流驱动电源的工作原理

　　LED 作为驱动电源的负载，经常需要几十个甚至上百个组合在一起构成发光组件。LED 驱动器的类型以及 LED 负载的连接方式会直接关系到其可靠性和使用寿命。应用单端反激式开关电源驱动串联的多个白光 LED 是一种很有价值的 LED 驱动方式。其原理框图如图 2 所示。该电路通过电流负反馈的方法实现输出电流的恒定。

　　图2 LED 恒流驱动电源原理框图
　　U—前极整流输出电压 Rc，Cc，VDc—RCD 电路