LED電源熱分析及散熱優(yōu)化方案

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2015-11-29

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LED燈具驅(qū)動電源是保證LED正常工作的必備 組件，而溫度是影響開關(guān)電源電路可靠性的關(guān)鍵因 素之一。LED照明燈具通常采用開關(guān)電源來實現(xiàn)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(qū)動應(yīng)用在照明燈具中， led室內(nèi)照明，恒光電器,照亮您的生活， 這必然導(dǎo)致開關(guān)電源中的功率器件因工作而產(chǎn)生更多的熱量，若不進(jìn)行有效控制和排除，將影響到整個驅(qū)動的壽命和可靠性，甚至部分會出現(xiàn)溫升超過極限值導(dǎo)致元器件的失效。因此，當(dāng)前的LED驅(qū)動電源散熱成為制約LED燈具發(fā)展的瓶頸之一。

對LED燈具及其電源產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計和熱分析已引起國內(nèi)外研究者的普遍重視，但傳統(tǒng)的熱設(shè)計通常是根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行估算，待生產(chǎn)出成品后再通過實驗來檢驗，而產(chǎn)品若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改、再設(shè)計、再生產(chǎn)、再檢驗。顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法已不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。因此，在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進(jìn)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(tǒng)的熱分布狀況，能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段對其進(jìn)行熱仿真，確定模型中的溫度最高點(diǎn)。通過對模型進(jìn)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(nèi)，達(dá)到設(shè)計要求。隨著LED照明應(yīng)用的快速發(fā)展，傳統(tǒng)熱設(shè)計方法已滿足不了需求，戶外照明，因而在LED行業(yè)內(nèi)引入當(dāng)代電路常用的熱分析及熱設(shè)計技術(shù)，采用流體力學(xué)CFD仿真手段對電源組件溫度場、熱應(yīng)力進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行散熱優(yōu)化設(shè)計，可以極大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，并且很大程度上提高LED電源的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。因此， led質(zhì)量，本文將采用CFD散熱模擬仿真分析的方法，建立驅(qū)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(qū)動電源散熱環(huán)境的改善情況，通過仿真實驗得出的研究結(jié)果將有效指導(dǎo)實際工程應(yīng)用。

LED驅(qū)動電源散熱建模

電源發(fā)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(qū)動電源為LED燈具提供電源輸出，醫(yī)院led照明，LED球泡燈，但因其本身也為一個功耗器件，所以驅(qū)動電源也存在熱量及熱傳遞現(xiàn)象。電源功率器件的損耗主要包括開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗和柵極驅(qū)動損耗， led室內(nèi)照明，如變壓器的鐵心損耗和線圈損耗、驅(qū)動IC芯片導(dǎo)通損耗、開關(guān)MOS管的開關(guān)損耗等。

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

現(xiàn)有40WLED玉米燈產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖2所示。CFD散熱仿真建模方法，開關(guān)電源各元器件材料參數(shù)及主要熱參數(shù)設(shè)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(jié)合，用以修正設(shè)定的材料參數(shù)、光電特性參數(shù)、環(huán)境邊界條件等，才能準(zhǔn)確地預(yù)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(zhì)直接接觸，如熱電偶等;后者感溫元件不與被測介質(zhì)接觸，如熱像儀等。紅外熱像儀可較為準(zhǔn)確測量外表面溫度且可直觀顯示LED燈具溫度場連續(xù)分布，設(shè)計，而熱電偶可以精確測量若干點(diǎn)溫度值以及LED燈具內(nèi)部元器件溫度，二者相互結(jié)合可滿足現(xiàn)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(shù)，便于散熱仿真參數(shù)設(shè)置。本文中由于電源內(nèi)置，因此只能采用接觸式熱電偶進(jìn)行測量，散熱模擬仿真結(jié)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(jié)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(qū)動電源散熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計

電源腔陣列開孔設(shè)計

按照圖4所示對LED燈具開關(guān)電源腔進(jìn)行陣列開孔，意在改善開關(guān)電源熱對流條件，根據(jù)UL1993的外孔開孔安全間隙要求，國內(nèi)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(jìn)行散熱模擬仿真。仿真計算結(jié)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(yōu)化前的仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

通過表4數(shù)據(jù)分析可以看出，無論何種孔徑散熱改進(jìn)效果均不明顯。這主要是因為任何發(fā)熱物體表面存在1～2mm穩(wěn)態(tài)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(fēng)扇的強(qiáng)制對流就另當(dāng)別論。

電源灌膠