隨著全彩LED顯示屏應(yīng)用越來越廣泛，led顯示屏事故時有發(fā)生，LED顯示屏的可靠性引起了行業(yè)內(nèi)廣大人員的密切關(guān)注。據(jù)此，本文以元器件計數(shù)法，以LED顯示箱體為例，介紹了如何預(yù)估顯示屏的可靠性，并分析了影響顯示屏可靠性的關(guān)鍵因素及提出了提高可靠性的方法。
LED顯示屏是集光電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及視頻技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，具有耗電量少、功耗小、亮度高、性能穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點。可在實際應(yīng)用中，我們卻頻頻看到行業(yè)內(nèi)其他公司LED顯示屏失效的報道：如2012年4月21日香港海逸君綽酒店天臺巨型屏幕突然起火，2011年12月16日，北京西直門購物中心的LED顯示屏起火以及在2010年廣州國際燈光節(jié)上，懸掛在廣州新圖書館外、正對著花城廣場的主LED大屏幕突然發(fā)生火災(zāi)等等。能解決引起LED顯示屏失效的問題，對行業(yè)的發(fā)展是有很大幫助的。LED顯示屏電子元件繁多、電路復(fù)雜、LED燈的數(shù)量大，是否具有較高的可靠性，將直接關(guān)系到顯示屏的實際使用價值。因此，在對LED顯示屏進行設(shè)計時，我們都希望所設(shè)計的顯示屏能夠達到較高的可靠性，具有較好的工作穩(wěn)定性、較長的使用壽命。因此，在顯示屏的性能指標及費用等要求提出后，在研制生產(chǎn)之前我們有必要對系統(tǒng)中各個模塊所用元器件的性能、可靠性進行分析，并對整個LED顯示屏的最終穩(wěn)定性狀態(tài)進行估計計算，分析出設(shè)計的顯示屏中失效率較高的單元，從而可以通過選用性能更好的元器件、更換元器件、應(yīng)用冗余系統(tǒng)、嚴格控制制造工藝和嚴格控制檢驗等改進措施，減小失效率，把精力集中在穩(wěn)定性最弱的環(huán)節(jié)。
此外，可靠性分析還可以幫助我們進行各種設(shè)計方案之間的比較，找到使系統(tǒng)可靠性指標達到最高的設(shè)計方案，并為在設(shè)計時對元器件、零件和材料的選用提供依據(jù)，為設(shè)計評審、故障分析、維護性分析和熱設(shè)計等提供信息。本文利用元器件計數(shù)法，以一個戶外LED顯示箱體為例，介紹如何預(yù)估顯示屏的可靠性，并分析了影響顯示屏可靠性的關(guān)鍵因素及提出提高可靠性的方法。
1、可靠性預(yù)計方法
1.1產(chǎn)品壽命期
從可靠性工程的角度看，產(chǎn)品壽命期內(nèi)大體分為三個階段：早期失效期、正常使用期和耗損老化失效期。各階段的失效率與時間的關(guān)系遵循浴盆曲線，如圖1所示。


早期失效期：由于設(shè)計、制造、材料等過程中存在的缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品剛開始使用時失效率高。企業(yè)質(zhì)量管理水平越高，該過程就越短。
正常使用期：產(chǎn)品在這一時期的故障與產(chǎn)品質(zhì)量和使用環(huán)境有關(guān)，是隨機發(fā)生的，質(zhì)量越好的產(chǎn)品，其失效率很低且近乎是常數(shù)，因此可用壽命也越長。
耗損失效期：由于產(chǎn)品的各主要部件壽命已到，各種故障“累積”爆發(fā)。
1.2 失效率
失效率是指產(chǎn)品在給定的時間間隔內(nèi)發(fā)生不可修復(fù)性故障的累計次數(shù)，定義為λ。
1.3 可靠性
可靠性指產(chǎn)品、系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。通常表達可靠性的方法是MTBF，即產(chǎn)品平均無故障時間。平均無故障時間的計算是：總運行時間除以產(chǎn)品失效的次數(shù)。


而當電子產(chǎn)品進入正常使用期后，由于失效率幾乎為常數(shù)，一般也用失效率λ的倒數(shù)來表示MTBF的值，以衡量產(chǎn)品的質(zhì)量水平：

1.4 可靠性預(yù)計方法
可靠性預(yù)計的方法一般有元器件計數(shù)法、相似產(chǎn)品法、相似電路法、有源器件法、評分預(yù)計法及元器件應(yīng)力分析法等。本文采用元器件計數(shù)法進行LED顯示屏的可靠性預(yù)計。所謂元器件計數(shù)法就是根據(jù)組成設(shè)備的各類元器件的通用失效率及其使用數(shù)量，來預(yù)計設(shè)備失效率的方法。適用于電子設(shè)備方案論證階段和初步設(shè)計階段，元器件的種類和數(shù)量大致已經(jīng)確定，但具體的工作盈利和環(huán)境等尚未明確時，對系統(tǒng)基本可靠性進行預(yù)計，其基本原理也是對元器件“基本故障率”的修正。其計算步驟是：先計算設(shè)備中各種型號和各種類型的元器件數(shù)目，然后再乘以相應(yīng)型號或響應(yīng)類型元器件的基本失效率，最后把個乘積累加起來，即可得到產(chǎn)品的失效率。計算公式為：


2、LED顯示屏箱體的可靠性預(yù)計
本文預(yù)估的顯示屏箱體是一個串聯(lián)模型，包括那些冗余或替代工作模式的單元都按串聯(lián)處理，之后采用元器件計數(shù)法預(yù)估模型的失效率，進而求解MTBF時間。
要預(yù)估的顯示屏箱體的是由6個300W的電源、一塊接收板、一塊轉(zhuǎn)接板和24塊燈驅(qū)合一板組成，該顯示屏特點為：全彩屏，設(shè)計亮度8000cd/m2、像素間距16mm、恒流驅(qū)動1/8掃描。
所采用的環(huán)境類別為“一般地面固定”，指“在普通的建筑物內(nèi)或通風(fēng)較好的固定機架上，受振動、沖擊影響很小的環(huán)境條件，如固定雷達、通信設(shè)備和電視機、收錄機等家用電器所處的環(huán)境”，代表符號為“GF1”。環(huán)境溫度25°，元器件質(zhì)量等級為滿足基本國標或行標的B2級。
電源選用市面上性能較好的恒流驅(qū)動電源，其失效率參考其規(guī)格書的MTBF時間估算。牛角座、電源座、插件等參照產(chǎn)品規(guī)格要求，估算其失效率。LED燈、驅(qū)動IC、電容、電阻等參照《GJBZ299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》的估算公式進行查表預(yù)估其通用失效率，具體失效率如表1所示，其中λp為通用失效率， 為元件的質(zhì)量系數(shù)。




根據(jù)上表數(shù)據(jù)，代入公式，可得該LED顯示屏箱體的平均無故障時間：


LED顯示屏通用規(guī)范規(guī)定， LED顯示屏的像素失控率室內(nèi)不大于萬分之三，室外不大于千分之二。而上述計算的系統(tǒng)平均無故障時間是指系統(tǒng)中沒有一個元器件失效的情況，而上述箱體有18432個發(fā)光點，若考慮到室外顯示屏有不超過千分之二的失控許可，則實際應(yīng)用時顯示屏正常工作的時間會比計算的數(shù)值高。
3、討論分析
根據(jù)上述可靠性的預(yù)估分析知，影響顯示屏可靠性的關(guān)鍵是燈驅(qū)顯示板和LED電源，燈驅(qū)顯示板和電源的失效率均比其他各模塊的失效率大很多。究其原因是組成燈驅(qū)顯示板和電源的元器件數(shù)量太龐大。元器件數(shù)量越多，失效率累加起來就越大，必然導(dǎo)致整個模塊的失效率大增，MTBF減小。例如，箱體的燈驅(qū)顯示板上，單是發(fā)光二極管就有1.8萬多個，而從表1的數(shù)據(jù)中也可以看到LED燈對燈驅(qū)顯示板失效率的貢獻是最大的。所以在進行設(shè)計時，為了提高系統(tǒng)的可靠性，方法一是選用高質(zhì)量性能的關(guān)鍵元器件，通過提高元器件的質(zhì)量系數(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。
上述的可靠性預(yù)估分析，我們選用的為符合基本的國標或行標的電子元器件，參照GJBZ 299C-2006，其質(zhì)量等級為B2級，質(zhì)量系數(shù) 為1。而如果能將電子元器件的質(zhì)量等級提高一級，如將LED燈的質(zhì)量等級提高一級，達到B1級（按軍用標準的篩選要求進行篩選的B2質(zhì)量等級的產(chǎn)品），質(zhì)量系數(shù) 變?yōu)?.6，則此時LED顯示屏的平均無故障時間為2414.3 h。相比LED燈的質(zhì)量等級為B2時足足提高了512小時，提高幅度達26.92%。所以為了提高LED顯示屏的平均無故障時間，艾比森自己生產(chǎn)顯示屏所用的LED燈珠，通過生產(chǎn)物料的嚴格保證、生產(chǎn)工藝條件以及產(chǎn)品品質(zhì)的嚴格、統(tǒng)一要求，實現(xiàn)LED燈珠的高標準生產(chǎn)，提高了顯示屏LED燈的質(zhì)量性能，從而有效延長了LED顯示屏平均無故障時間。
方法二是在選定使用的元器件后，改用冗余結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的可靠性。
假設(shè)系統(tǒng)元件均存在并行冗余結(jié)構(gòu)，即當有某一元件或模塊失效時，可由另一并行工作的元件或模塊替代，保證整機的正常工作狀態(tài)。
根據(jù)可靠性原理，則：


假設(shè)系統(tǒng)元件均存在后備冗余結(jié)構(gòu)，即工作單元數(shù)不變，當有某一元件或模塊失效時，有完全可靠的檢查和轉(zhuǎn)換裝置自動把轉(zhuǎn)換開關(guān)導(dǎo)向后備的元器件或模塊，也可以通過維修的方式，快速更換性能良好的元件或模塊。在所用元件相同，失效檢查和轉(zhuǎn)換裝置百分之百的可靠，而且備用失效率又為零的情況下，兩單元（一個單元備用）的系統(tǒng)的可靠度為：


從冗余、后備冗余得出的平均無故障工作時間可以看出，采用并行冗余可以使系統(tǒng)的可靠性提高0.5倍，采用后備冗余系統(tǒng)可靠性可以提高1倍，可見系統(tǒng)采用冗余設(shè)計對系統(tǒng)的工作可靠性有很大的好處。因此在實際設(shè)計中，我們可以將系統(tǒng)中重要的組成模塊或失效率較高的模塊設(shè)計成冗余結(jié)構(gòu)，以此提高系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻
1.張增照、宋太亮、莫郁薇等.《GJB299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》。
2.毛昭祺、Marshall Miles、羅長春等.《提高LED驅(qū)動電源壽命和可靠性的方法》.照明工程學(xué)報，2010,(21),38-40.
3.鄭齊健、王遵立、丁鐵夫等.《雙基色LED圖文顯示屏可靠性分配》.數(shù)據(jù)采集與處理.1999,(14),42-46
4.鄭齊健、王遵立、丁鐵夫等.《雙基色LED圖文顯示屏可靠性預(yù)計》.電子技術(shù)應(yīng)用.1998,(9),44-47