隨著(zhù)全彩LED顯示屏應用越來(lái)越廣泛，led顯示屏事故時(shí)有發(fā)生，LED顯示屏的可靠性引起了行業(yè)內廣大人員的密切關(guān)注。據此，本文以元器件計數法，以L(fǎng)ED顯示箱體為例，介紹了如何預估顯示屏的可靠性，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、性能穩定、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。可在實(shí)際應用中，我們卻頻頻看到行業(yè)內其他公司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(mén)購物中心的LED顯示屏起火以及在2010年廣州國際燈光節上，懸掛在廣州新圖書(shū)館外、正對著(zhù)花城廣場(chǎng)的主LED大屏幕突然發(fā)生火災等等。能解決引起LED顯示屏失效的問(wèn)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、電路復雜、LED燈的數量大，是否具有較高的可靠性，將直接關(guān)系到顯示屏的實(shí)際使用價(jià)值。因此，在對LED顯示屏進(jìn)行設計時(shí)，我們都希望所設計的顯示屏能夠達到較高的可靠性，具有較好的工作穩定性、較長(cháng)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中各個(gè)模塊所用元器件的性能、可靠性進(jìn)行分析，并對整個(gè)LED顯示屏的最終穩定性狀態(tài)進(jìn)行估計計算，分析出設計的顯示屏中失效率較高的單元，從而可以通過(guò)選用性能更好的元器件、更換元器件、應用冗余系統、嚴格控制制造工藝和嚴格控制檢驗等改進(jìn)措施，減小失效率，把精力集中在穩定性最弱的環(huán)節。
此外，可靠性分析還可以幫助我們進(jìn)行各種設計方案之間的比較，找到使系統可靠性指標達到最高的設計方案，并為在設計時(shí)對元器件、零件和材料的選用提供依據，為設計評審、故障分析、維護性分析和熱設計等提供信息。本文利用元器件計數法，以一個(gè)戶(hù)外LED顯示箱體為例，介紹如何預估顯示屏的可靠性，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)品壽命期內大體分為三個(gè)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(shí)間的關(guān)系遵循浴盆曲線(xiàn)，如圖1所示。


早期失效期：由于設計、制造、材料等過(guò)程中存在的缺陷，導致產(chǎn)品剛開(kāi)始使用時(shí)失效率高。企業(yè)質(zhì)量管理水平越高，該過(guò)程就越短。
正常使用期：產(chǎn)品在這一時(shí)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，因此可用壽命也越長(cháng)。
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(shí)間間隔內發(fā)生不可修復性故障的累計次數，定義為λ。
1.3 可靠性
可靠性指產(chǎn)品、系統在規定的條件下，規定的時(shí)間內，完成規定功能的能力。通常表達可靠性的方法是MTBF，即產(chǎn)品平均無(wú)故障時(shí)間。平均無(wú)故障時(shí)間的計算是：總運行時(shí)間除以產(chǎn)品失效的次數。


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

1.4 可靠性預計方法
可靠性預計的方法一般有元器件計數法、相似產(chǎn)品法、相似電路法、有源器件法、評分預計法及元器件應力分析法等。本文采用元器件計數法進(jìn)行LED顯示屏的可靠性預計。所謂元器件計數法就是根據組成設備的各類(lèi)元器件的通用失效率及其使用數量，來(lái)預計設備失效率的方法。適用于電子設備方案論證階段和初步設計階段，元器件的種類(lèi)和數量大致已經(jīng)確定，但具體的工作盈利和環(huán)境等尚未明確時(shí)，對系統基本可靠性進(jìn)行預計，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：先計算設備中各種型號和各種類(lèi)型的元器件數目，然后再乘以相應型號或響應類(lèi)型元器件的基本失效率，最后把個(gè)乘積累加起來(lái)，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計
本文預估的顯示屏箱體是一個(gè)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法預估模型的失效率，進(jìn)而求解MTBF時(shí)間。
要預估的顯示屏箱體的是由6個(gè)300W的電源、一塊接收板、一塊轉接板和24塊燈驅合一板組成，該顯示屏特點(diǎn)為：全彩屏，設計亮度8000cd/m2、像素間距16mm、恒流驅動(dòng)1/8掃描。
所采用的環(huán)境類(lèi)別為“一般地面固定”，指“在普通的建筑物內或通風(fēng)較好的固定機架上，受振動(dòng)、沖擊影響很小的環(huán)境條件，如固定雷達、通信設備和電視機、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(mǎn)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動(dòng)電源，其失效率參考其規格書(shū)的MTBF時(shí)間估算。牛角座、電源座、插件等參照產(chǎn)品規格要求，估算其失效率。LED燈、驅動(dòng)IC、電容、電阻等參照《GJBZ299C-2006電子設備可靠性預計手冊》的估算公式進(jìn)行查表預估其通用失效率，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。




根據上表數據，代入公式，可得該LED顯示屏箱體的平均無(wú)故障時(shí)間：


LED顯示屏通用規范規定， LED顯示屏的像素失控率室內不大于萬(wàn)分之三，室外不大于千分之二。而上述計算的系統平均無(wú)故障時(shí)間是指系統中沒(méi)有一個(gè)元器件失效的情況，而上述箱體有18432個(gè)發(fā)光點(diǎn)，若考慮到室外顯示屏有不超過(guò)千分之二的失控許可，則實(shí)際應用時(shí)顯示屏正常工作的時(shí)間會(huì )比計算的數值高。
3、討論分析
根據上述可靠性的預估分析知，影響顯示屏可靠性的關(guān)鍵是燈驅顯示板和LED電源，燈驅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顯示板和電源的元器件數量太龐大。元器件數量越多，失效率累加起來(lái)就越大，必然導致整個(gè)模塊的失效率大增，MTBF減小。例如，箱體的燈驅顯示板上，單是發(fā)光二極管就有1.8萬(wàn)多個(gè)，而從表1的數據中也可以看到LED燈對燈驅顯示板失效率的貢獻是最大的。所以在進(jìn)行設計時(shí)，為了提高系統的可靠性，方法一是選用高質(zhì)量性能的關(guān)鍵元器件，通過(guò)提高元器件的質(zhì)量系數來(lái)提高系統的可靠性。
上述的可靠性預估分析，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 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(jìn)行篩選的B2質(zhì)量等級的產(chǎn)品），質(zhì)量系數 變?yōu)?.6，則此時(shí)LED顯示屏的平均無(wú)故障時(shí)間為2414.3 h。相比LED燈的質(zhì)量等級為B2時(shí)足足提高了512小時(shí)，提高幅度達26.92%。所以為了提高LED顯示屏的平均無(wú)故障時(shí)間，艾比森自己生產(chǎn)顯示屏所用的LED燈珠，通過(guò)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、統一要求，實(shí)現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(cháng)了LED顯示屏平均無(wú)故障時(shí)間。
方法二是在選定使用的元器件后，改用冗余結構提高系統的可靠性。
假設系統元件均存在并行冗余結構，即當有某一元件或模塊失效時(shí)，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)。
根據可靠性原理，則：


假設系統元件均存在后備冗余結構，即工作單元數不變，當有某一元件或模塊失效時(shí)，有完全可靠的檢查和轉換裝置自動(dòng)把轉換開(kāi)關(guān)導向后備的元器件或模塊，也可以通過(guò)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(gè)單元備用）的系統的可靠度為：


從冗余、后備冗余得出的平均無(wú)故障工作時(shí)間可以看出，采用并行冗余可以使系統的可靠性提高0.5倍，采用后備冗余系統可靠性可以提高1倍，可見(jiàn)系統采用冗余設計對系統的工作可靠性有很大的好處。因此在實(shí)際設計中，我們可以將系統中重要的組成模塊或失效率較高的模塊設計成冗余結構，以此提高系統的可靠性。
參考文獻
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