LED電源熱分析及散熱優化方案

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-11-29

瀏覽次數:次

LED燈具驅動電源是保證LED正常工作的必備 組件，而溫度是影響開關電源電路可靠性的關鍵因 素之一。LED照明燈具通常采用開關電源來實現輸 出和輸入的電壓電流控制，隨著燈具功率的不斷提 升，更多高頻高功率密度的驅動應用在照明燈具中， led室內照明，恒光電器,照亮您的生活， 這必然導致開關電源中的功率器件因工作而產生更多的熱量，若不進行有效控制和排除，將影響到整個驅動的壽命和可靠性，甚至部分會出現溫升超過極限值導致元器件的失效。因此，當前的LED驅動電源散熱成為制約LED燈具發展的瓶頸之一。

對LED燈具及其電源產品進行熱設計和熱分析已引起國內外研究者的普遍重視，但傳統的熱設計通常是根據經驗進行估算，待生產出成品后再通過實驗來檢驗，而產品若不能滿足要求，就要經歷修改、再設計、再生產、再檢驗。顯然，這種傳統的熱設計方法已不能滿足現代化的生產需求。因此，在產品設計階段對其進行有效的熱仿真是非常必要的。

熱分析軟件能夠比較真實地模擬系統的熱分布狀況，能夠在產品設計階段對其進行熱仿真，確定模型中的溫度最高點。通過對模型進行修改或采取必要的散熱措施，消除其過熱問題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內，達到設計要求。隨著LED照明應用的快速發展，傳統熱設計方法已滿足不了需求，戶外照明，因而在LED行業內引入當代電路常用的熱分析及熱設計技術，采用流體力學CFD仿真手段對電源組件溫度場、熱應力進行分析，并對其進行散熱優化設計，可以極大縮短產品研發周期，并且很大程度上提高LED電源的經濟性及可靠性。因此， led質量，本文將采用CFD散熱模擬仿真分析的方法，建立驅動電源散熱仿真模型，研究電源外殼開孔或電源灌膠的方法對驅動電源散熱環境的改善情況，通過仿真實驗得出的研究結果將有效指導實際工程應用。

LED驅動電源散熱建模

電源發熱量計算方法中，由燈具輸入總功率減去LED輸入功率求得電源消耗總功率，即電源=燈－LED，驅動電源為LED燈具提供電源輸出，醫院led照明，LED球泡燈，但因其本身也為一個功耗器件，所以驅動電源也存在熱量及熱傳遞現象。電源功率器件的損耗主要包括開關損耗、導通損耗和柵極驅動損耗， led室內照明，如變壓器的鐵心損耗和線圈損耗、驅動IC芯片導通損耗、開關MOS管的開關損耗等。

本文中將以40WLED玉米燈驅動電源作為研究對象，如圖1所示，設定該電源主要元器件的發熱功耗，如表1所示。由于40WLED玉米燈電源發熱量較大，在自然散熱情況下很難達到安規或UL等認證要求，需要通過相應散熱設計來降低電源元器件溫度，特別是電解電容、變壓器、驅動芯片IC、MOS管等產生熱量的主要元器件.

現有40WLED玉米燈產品結構，如圖2所示。CFD散熱仿真建模方法，開關電源各元器件材料參數及主要熱參數設置如表2所示。

散熱仿真建模必須與實際的LED燈具工作溫度測量相結合，用以修正設定的材料參數、光電特性參數、環境邊界條件等，才能準確地預測LED燈具溫度。通常溫度測試儀分為接觸式和非接觸式兩大類，前者感溫元件(傳感器)與被測介質直接接觸，如熱電偶等;后者感溫元件不與被測介質接觸，如熱像儀等。紅外熱像儀可較為準確測量外表面溫度且可直觀顯示LED燈具溫度場連續分布，設計，而熱電偶可以精確測量若干點溫度值以及LED燈具內部元器件溫度，二者相互結合可滿足現有LED燈具溫度測量需要，廠房照明，也可間接有效地測量出材料表面輻射系數，便于散熱仿真參數設置。本文中由于電源內置，因此只能采用接觸式熱電偶進行測量，散熱模擬仿真結果如圖3所示，仿真溫度及實測溫度對比如表3所示，LED天花燈，各元器件實測溫度與計算結果偏差均小于2%，LED照明工程，散熱仿真溫度估算方法可靠性較高。

驅動電源散熱環境優化設計

電源腔陣列開孔設計

按照圖4所示對LED燈具開關電源腔進行陣列開孔，意在改善開關電源熱對流條件，根據UL1993的外孔開孔安全間隙要求，國內資訊，孔徑必須小于2mm，超市照明，故嘗試使用1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm和2.0mm五種孔徑進行散熱模擬仿真。仿真計算結果如圖5中(1)～(5)所示，電源各主要元器件仿真溫度值如表4所示，并與表3中優化前的仿真結果進行對比。

通過表4數據分析可以看出，無論何種孔徑散熱改進效果均不明顯。這主要是因為任何發熱物體表面存在1～2mm穩態層流層，因此2mm以下的孔徑是無法起到明顯增加電源腔自然熱對流的目的，但是帶風扇的強制對流就另當別論。

電源灌膠