荧光灯用电子镇流器可靠性工程

摘要：笔者介绍了在华佳电器主持荧光灯用电子镇流器产品可靠性工程的经验和体会。结合实际工作简要阐述可靠性设计、元器件选用、SPC、可靠性验证试验等可靠性工程的主要内容。

关键词：电子镇流器 可靠性 可靠性设计 元器件选用

记得三年前我到广州参加一个节能电感镇流器推广工作的研讨会，当时专家们普遍认为节能电感镇流器比电子镇流器有发展前景，原因是电子镇流器尽管有很多优点，比如功率因数高，重量轻，损耗小，节能效果明显，但是可靠性远不如电感镇流器。电感镇流器可达五年，可靠性高，故障少，而当时市场上的电子镇流器寿命才半年至一年，故障多。但就在那段时间，我们华佳电器也决定从事电子镇流器的开发和生产，因为电子取代电感是国内外大势所趋。如何解决电子镇流器的可靠性问题首先摆在我们设计人员的面前。下面谈谈电子镇流器的可靠性设计。

一． 降额设计和动态设计

所谓可靠性即产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的能力。所谓规定的条件，主要指环境条件。从产品研制全过程及产品寿命来看，为使产品可靠性得以保证或增长，从产品可靠性指标确定、可靠性试验、可靠性分析无一不考虑环境应力对产品可靠性的影响。在产品可靠性设计技术中一个重要的设计措施是降额设计，其中环境温度以及施加的电应力是降额的主要途径。对于半导体元件，如不考虑其结温和承受温度极限，可靠性将无法得到保证。在可靠性设计中另一个很重要的设计措施是动态设计，各种电子元器件在环境应力变化时其特性值也在改变。表1给出了某固态电阻的阻值随环境应力的改变而变化的情况。这些电子元件构成整机投入使用时，环境的改变会使整机不能稳定工作，甚至出现故障。因此在进行设计时就应改变静态设计的思想，考虑环境因素引起的元器件性能变化，进行动态设计。

二． 电路的可靠性设计，包括印刷电路板（PCB）布线设计

由于可靠性是电路复杂性的函数，降低电路的复杂性可以相应的提高电路的可靠性，所以在实现规定功能的前提下，应尽可能使电路结构简单，最大限度地减少所用元器件的类型和品种，提高元器件的复用率，这是提高电路可靠性的一种简单而常用的方法。

简化设计一般使用的方法有：

1）多采用标准化、系列化的元器件，少采用特殊的或未经定型和考验的元器件。

2）在保证实现规定功能指标的前提下，多采用集成电路，少采用分立元器件，集成度的提高可以减少元器件之间的连线、结点以及封装的数目，而这些连接点的可靠性常常是造成电路失效的主要原因。据资料介绍，1974年我国发射卫星的运载火箭因为一根直径为0.25MM的导线断裂，导致整个系统被引爆自毁，因此不要小看一个小小的元器件失效，哪怕是一根导线的断裂，它们会使成千万甚至上亿元的投资毁于一旦，“千里之堤，溃于蚁穴”。

印刷电路板的布线设计，主要考虑以下三点：

1）电磁兼容性（EMC）设计，电磁兼容性是指电子系统及其元部件在各种电磁环境中仍能够协调、有效进行工作的能力。EMC设计的目的是既能抑制各种外来的干扰，使电路在规定的电磁环境中能正常工作，同时又能减少其本身对其他设备的电磁干扰。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要由印刷导线的电感部分造成的，因此，应尽量减少印刷导线的电感量。印刷导线的电感量与其长度成正比，并随其宽度的增加而下降，故短而粗的导线对于抑制干扰是有利的。对于一般电路，印刷宽度选在1.5MM左右，即可完全满足要求；对于集成电路，可选为0.2MM~1.0MM。为了抑制导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在使用一般电路时，印制导线的间隔和长度设计可以参考表2，在一些对干扰十分敏感的信号线之间可以设置一根接地的印制线，也可有效地抑制串扰。

另外，为了避免高频信号通过抑制导线产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，应尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角大于90度，避免环状走线等。

2）接地设计

只要布局许可，印制板最好做成大平面接地方式，即印制板的一面全部用铜箔做成接地平面，则另一面作为信号布线。

3）热设计

电子镇流器的外壳内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，也可以考虑灌注绝缘散热胶比如黑胶达到传热目的。另外温度敏感器件最好安置在温度最低的区域，千万不要将它放在发热元件的正上方，发热元件不能集中在一个地方，这样不利于散热。温度每升高10℃，寿命将减少一半。

三．电子元器件的选用

电子元器件在应用时应重点考虑的问题及确保应用可靠性所采取的有效措施有以下几点：

1）降额使用 经验表明，元器件失效的一个重要原因，是由于它工作在允许的应力水平之上，因此为了提高元器件可靠性，延长使用寿命，必须使实际使用应力低于其规定的额定应力。

2）热设计 电子元器件的热失效是由于高温导致元器件的材料劣化而造成的，因此在元器件的布局、安装等过程中，必须充分考虑到热的因素，采取有效的热设计

3）动态设计前面已经讲过，不再详细描述。

另外，对于我们电子镇流器上用的元器件，有两个非常关键，选择是否恰当直接关系到镇流器的可靠性，这里我必须着重谈一谈：

第一是功率晶体管，功率晶体管是做开关作用的，因此，开关晶体管驱动电路设计合理与否，直接关系到晶体管的温升程度，转换效率和使用寿命。又由于晶体管的开关参数和放大倍数还要受到温度、电压、电流等因素的影响，并非是一个常数。比如在低温时，放大倍数会变小，存储时间变短，如果选择的放大倍数太小，存储时间太短，则在低温时，灯可能点不亮，如果选用放大倍数过大，存储时间长的晶体管，低温启动问题解决了，但在高温时，就可能出现过饱和，导致晶体管开关损耗大幅增加，温升过高，导致晶体管损坏。事实证明，电子镇流器最终失效形式几乎都表现为功率晶体管烧坏，因此三极管选得好不好直接决定镇流器的可靠性。

我们最初选用的是13005系列或国内的DK55系列晶体管，为了兼顾低温启动不困难和高温不出现过饱和，我们对晶体管的驱动元件比如磁环，基极限流电阻及晶体管的存储时间ts进行了细致的分档和配对使用，这对提高晶体管的可靠性起到一定作用，但是管理成本和检验成本却大大增加了。后来我们改选带抗饱和的晶体管，取得了比较理想的效果。图3为带抗饱和的晶体管的电路图，图中NPN是主晶体管，D为续流保护二极管，PNP型晶体管作为有源抗饱和网络。当NPN管饱和导通以后，当基极驱动电压高于Vbe（PNP）+Vces（NPN）时，PNP管导通，将基极驱动电流分流，使NPN晶体管不会出现深饱和。这样，NPN管选用大的放大倍数，外电路元件的不一致带来的过驱动，导致的过饱和现象得到自动抑制，改善了开关特性，提高了大批量生产的工艺宽容性。对解决低温时要求驱动过强，以利于灯的启动，高温时不因过驱动烧管也很有效。另经实验证实，选用该晶体管后，晶体管工作温度降低了20度左右，因此电子镇流器选用这种晶体管后不仅降低了成本，而且提高了可靠性。

第二个关键元器件是电解电容寿命的选取，大家都知道电子镇流器整流后都需要用一个容量比较大的电解电容进行滤波，电解电容的容量、漏电流、损耗角将随时间和温度发生变化，时间越长，容量将变得越来越小；使用温度越高，漏电流、损耗角将变得越来越大，最终电解液耗尽，电解电容干枯。因此电解电容的好差直接关系到电子镇流器的可靠性和寿命。目前市场上电解电容有105℃ 1000小时至8000小时不等。如果错误选择105℃ 1000小时的电容，则镇流器其它参数设计得再好也没用，它的寿命也只有半年到一年。因此，电解电容应选择漏电流和损耗角小，长寿命的电容，一般选8000小时/105℃，这样镇流器才不会因为电容的早早失效而失效。

四．生产过程的控制

有句熟话：“产品的品质是设计和制造出来的，而不是检验出来的。”因此为了更有效的控制产品的主要失效模式，必须根据生产过程中各道工序对产品质量与可靠性的影响程度，设定关键工序的质量和可靠性控制点，对其重点控制。我们华佳公司按电子镇流器的工艺流程，运用SPC统计过程控制方法，对制造过程的关键点进行动态统计和分析，及时发现过程工艺是否出现了异常或偏离了正常变化范围，确保生产的一致性和稳定性。

五．对整机进行可靠性验证试验

首先按照产品的特点，建立一套完整的可靠性控制程序，然后在新产品试生产阶段，进行可靠性验证试验，及时调整不符合或影响产品可靠性的元器件，确保新产品达到程序要求的可靠性指标。

我们华佳公司程序要求取样品100只，在40-50℃的温度应力及±10%额定电压的电应力下，按照定时截尾试验6号方案进行试验，试验满足MTBF>30000小时即为试生产合格。在以后的批量生产中还会视实际情况做可靠性增长试验。

我们华佳公司按照上面一些经验和要求，对电子镇流器产品进行可靠性管理，取得了比较好的效果，使用寿命4-5年，几乎与电感镇流器相齐平。最后，我也真诚的希望我们电子镇流器同行都对自己的产品进行可靠性管理，共同打造好这个庞大的市场。