全彩LED显示屏安全可靠性分析
随着全彩LED显示屏应用越来越广泛，LED显示屏事故时有发生，LED显示屏的可靠性引起了行业内广大人员的密切关注。据此，本文以元器件计数法，以LED显示箱体为例，介绍了如何预估显示屏的可靠性，并分析了影响显示屏可靠性的关键因素及提出了提高可靠性的方法。LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术以及视频技术为一体的高科技产品，具有耗电量少、功耗小、亮度高、性能稳定、寿命长等优点。可在实际应用中，我们却频频看到行业内其他公司LED显示屏失效的报道：如2012年4月21日香港海逸君绰酒店天台巨型屏幕突然起火，2011年12月16日，北京西直门购物中心的LED显示屏起火以及在2010年广州国际灯光节上，悬挂在广州新图书馆外、正对着花城广场的主LED大屏幕突然发生火灾等等。能解决引起LED显示屏失效的问题，对行业的发展是有很大帮助的。LED显示屏电子元件繁多、电路复杂、LED灯的数量大，是否具有较高的可靠性，将直接关系到显示屏的实际使用价值。因此，在对LED显示屏进行设计时，我们都希望所设计的显示屏能够达到较高的可靠性，具有较好的工作稳定性、较长的使用寿命。因此，在显示屏的性能指标及费用等要求提出后，在研制生产之前我们有必要对系统中各个模块所用元器件的性能、可靠性进行分析，并对整个LED显示屏的最终稳定性状态进行估计计算，分析出设计的显示屏中失效率较高的单元，从而可以通过选用性能更好的元器件、更换元器件、应用冗余系统、严格控制制造工艺和严格控制检验等改进措施，减小失效率，把精力集中在稳定性最弱的环节。
此外，可靠性分析还可以帮助我们进行各种设计方案之间的比较，找到使系统可靠性指标达到最高的设计方案，并为在设计时对元器件、零件和材料的选用提供依据，为设计评审、故障分析、维护性分析和热设计等提供信息。本文利用元器件计数法，以一个户外LED显示箱体为例，介绍如何预估显示屏的可靠性，并分析了影响显示屏可靠性的关键因素及提出提高可靠性的方法。
1、可靠性预计方法
1.1产品寿命期
从可靠性工程的角度看，产品寿命期内大体分为三个阶段：早期失效期、正常使用期和耗损老化失效期。各阶段的失效率与时间的关系遵循浴盆曲线，如图1所示。
早期失效期：由于设计、制造、材料等过程中存在的缺陷，导致产品刚开始使用时失效率高。企业质量管理水平越高，该过程就越短。
正常使用期：产品在这一时期的故障与产品质量和使用环境有关，是随机发生的，质量越好的产品，其失效率很低且近乎是常数，因此可用寿命也越长。
耗损失效期：由于产品的各主要部件寿命已到，各种故障“累积”爆发。
1.2 失效率
失效率是指产品在给定的时间间隔内发生不可修复性故障的累计次数，定义为λ。
1.3 可靠性
可靠性指产品、系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。通常表达可靠性的方法是MTBF，即产品平均无故障时间。平均无故障时间的计算是：总运行时间除以产品失效的次数。
而当电子产品进入正常使用期后，由于失效率几乎为常数，一般也用失效率λ的倒数来表示MTBF的值，以衡量产品的质量水平：
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1.4 可靠性预计方法
可靠性预计的方法一般有元器件计数法、相似产品法、相似电路法、有源器件法、评分预计法及元器件应力分析法等。本文采用元器件计数法进行LED显示屏的可靠性预计。所谓元器件计数法就是根据组成设备的各类元器件的通用失效率及其使用数量，来预计设备失效率的方法。适用于电子设备方案论证阶段和初步设计阶段，元器件的种类和数量大致已经确定，但具体的工作盈利和环境等尚未明确时，对系统基本可靠性进行预计，其基本原理也是对元器件“基本故障率”的修正。其计算步骤是：先计算设备中各种型号和各种类型的元器件数目，然后再乘以相应型号或响应类型元器件的基本失效率，最后把个乘积累加起来，即可得到产品的失效率。计算公式为：
2、LED显示屏箱体的可靠性预计
本文预估的显示屏箱体是一个串联模型，包括那些冗余或替代工作模式的单元都按串联处理，之后采用元器件计数法预估模型的失效率，进而求解MTBF时间。
要预估的显示屏箱体的是由6个300W的电源、一块接收板、一块转接板和24块灯驱合一板组成，该显示屏特点为：全彩屏，设计亮度8000cd/m2、像素间距16mm、恒流驱动1/8扫描。
所采用的环境类别为“一般地面固定”，指“在普通的建筑物内或通风较好的固定机架上，受振动、冲击影响很小的环境条件，如固定雷达、通信设备和电视机、收录机等家用电器所处的环境”，代表符号为“GF1”。环境温度25°，元器件质量等级为满足基本国标或行标的B2级。
电源选用市面上性能较好的恒流驱动电源，其失效率参考其规格书的MTBF时间估算。牛角座、电源座、插件等参照产品规格要求，估算其失效率。LED灯、驱动IC、电容、电阻等参照《GJBZ299C-2006电子设备可靠性预计手册》的估算公式进行查表预估其通用失效率，具体失效率如表1所示，其中λp为通用失效率， 为元件的质量系数。
根据上表数据，代入公式，可得该LED显示屏箱体的平均无故障时间：
LED显示屏通用规范规定， LED显示屏的像素失控率室内不大于万分之三，室外不大于千分之二。而上述计算的系统平均无故障时间是指系统中没有一个元器件失效的情况，而上述箱体有18432个发光点，若考虑到室外显示屏有不超过千分之二的失控许可，则实际应用时显示屏正常工作的时间会比计算的数值高。
3、讨论分析
根据上述可靠性的预估分析知，影响显示屏可靠性的关键是灯驱显示板和LED电源，灯驱显示板和电源的失效率均比其他各模块的失效率大很多。究其原因是组成灯驱显示板和电源的元器件数量太庞大。元器件数量越多，失效率累加起来就越大，必然导致整个模块的失效率大增，MTBF减小。例如，箱体的灯驱显示板上，单是发光二极管就有1.8万多个，而从表1的数据中也可以看到LED灯对灯驱显示板失效率的贡献是最大的。所以在进行设计时，为了提高系统的可靠性，方法一是选用高质量性能的关键元器件，通过提高元器件的质量系数来提高系统的可靠性。
上述的可靠性预估分析，我们选用的为符合基本的国标或行标的电子元器件，参照GJBZ 299C-2006，其质量等级为B2级，质量系数 为1。而如果能将电子元器件的质量等级提高一级，如将LED灯的质量等级提高一级，达到B1级（按军用标准的筛选要求进行筛选的B2质量等级的产品），质量系数 变为0.6，则此时LED显示屏的平均无故障时间为2414.3 h。相比LED灯的质量等级为B2时足足提高了512小时，提高幅度达26.92%。所以为了提高LED显示屏的平均无故障时间，艾比森自己生产显示屏所用的LED灯珠，通过生产物料的严格保证、生产工艺条件以及产品品质的严格、统一要求，实现LED灯珠的高标准生产，提高了显示屏LED灯的质量性能，从而有效延长了LED显示屏平均无故障时间。
方法二是在选定使用的元器件后，改用冗余结构提高系统的可靠性。
假设系统元件均存在并行冗余结构，即当有某一元件或模块失效时，可由另一并行工作的元件或模块替代，保证整机的正常工作状态。
根据可靠性原理，则：
假设系统元件均存在后备冗余结构，即工作单元数不变，当有某一元件或模块失效时，有完全可靠的检查和转换装置自动把转换开关导向后备的元器件或模块，也可以通过维修的方式，快速更换性能良好的元件或模块。在所用元件相同，失效检查和转换装置百分之百的可靠，而且备用失效率又为零的情况下，两单元（一个单元备用）的系统的可靠度为：
从冗余、后备冗余得出的平均无故障工作时间可以看出，采用并行冗余可以使系统的可靠性提高0.5倍，采用后备冗余系统可靠性可以提高1倍，可见系统采用冗余设计对系统的工作可靠性有很大的好处。因此在实际设计中，我们可以将系统中重要的组成模块或失效率较高的模块设计成冗余结构，以此提高系统的可靠性。
参考文献
1.张增照、宋太亮、莫郁薇等.《GJB299C-2006电子设备可靠性预计手册》。
2.毛昭祺、Marshall Miles、罗长春等.《提高LED驱动电源寿命和可靠性的方法》.照明工程学报，2010,(21),38-40.
3.郑齐健、王遵立、丁铁夫等.《双基色LED图文显示屏可靠性分配》.数据采集与处理.1999,(14),42-46
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