LED燈具開(kāi)關(guān)電源散熱仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

沈亞鋒

(廈門(mén)華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門(mén) 361008)

引言

LED燈具驅(qū)動(dòng)電源是保證LED正常工作的必備組件，而溫度是影響開(kāi)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(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)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(dòng)應(yīng)用在照明燈具中，這必然導(dǎo)致開(kāi)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(gè)驅(qū)動(dòng)的壽命和可靠性，甚至部分會(huì)出現(xiàn)溫升超過(guò)極限值導(dǎo)致元器件的失效[1]。因此，當(dāng)前的LED驅(qū)動(dòng)電源散熱成為制約LED燈具發(fā)展的瓶頸之一。

對(duì)LED燈具及其電源產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)和熱分析已引起國(guó)內(nèi)外研究者的普遍重視，但傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，待生產(chǎn)出成品后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，而產(chǎn)品若不能滿足要求，就要經(jīng)歷修改、再設(shè)計(jì)、再生產(chǎn)、再檢驗(yàn)。顯然，這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)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(jì)階段對(duì)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(shí)地模擬系統(tǒng)的熱分布狀況，能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行熱仿真，確定模型中的溫度最高點(diǎn)。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行修改或采取必要的散熱措施，消除其過(guò)熱問(wèn)題，使其最高溫度在允許的溫度范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

隨著LED照明應(yīng)用的快速發(fā)展，傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法已滿足不了需求，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(jì)技術(shù)，采用流體力學(xué)CFD仿真手段[2]對(duì)電源組件溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，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，本文將采用CFD散熱模擬仿真分析的方法[3-4]，建立驅(qū)動(dòng)電源散熱仿真模型，研究電源外殼開(kāi)孔或電源灌膠的方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電源散熱環(huán)境的改善情況，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出的研究結(jié)果將有效指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

1 LED驅(qū)動(dòng)電源散熱建模

參照文獻(xiàn)[4]中電源發(fā)熱量計(jì)算方法，由燈具輸入總功率(P燈)減去LED輸入功率(PLED)求得電源消耗總功率(P電源)，即

P電源=P燈-PLED

(1)

驅(qū)動(dòng)電源為L(zhǎng)ED燈具提供電源輸出，但因其本身也為一個(gè)功耗器件，所以驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗，如變壓器的鐵心損耗和線圈損耗、驅(qū)動(dòng)IC芯片導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)MOS管的開(kāi)關(guān)損耗等。

圖1 LED玉米燈電源及其模型Fig.1 Corn LED lamp power supply and its model

本文中將以40W LED玉米燈驅(qū)動(dòng)電源作為研究對(duì)象，如圖1所示，參照文獻(xiàn)[5]設(shè)定該電源主要元器件的發(fā)熱功耗，如表1所示。由于40W LED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(guò)相應(yīng)散熱設(shè)計(jì)來(lái)降低電源元器件溫度，特別是電解電容、變壓器、驅(qū)動(dòng)芯片IC、MOS管等產(chǎn)生熱量的主要元器件[6]。

表1 40W LED玉米燈驅(qū)動(dòng)電源主要發(fā)熱元器件發(fā)熱量Table 1 Main components heating power of 40 W corn LED lamp power supply

現(xiàn)有40W LED玉米燈產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖2所示。參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中的CFD散熱仿真建模方法，開(kāi)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。

圖2 LED玉米燈模型Fig.2 Corn LED lamp model

圖3 LED玉米燈電源熱仿真結(jié)果(室溫25℃)Fig.3 Thermal simulation results of corn LED lamp power supply

散熱仿真建模必須與實(shí)際的LED燈具工作溫度測(cè)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(cè)LED燈具溫度。

通常溫度測(cè)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(cè)介質(zhì)直接接觸，如熱電偶等；后者感溫元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，如熱像儀等。紅外熱像儀可較為準(zhǔn)確測(cè)量外表面溫度且可直觀顯示LED燈具溫度場(chǎng)連續(xù)分布，而熱電偶可以精確測(cè)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(cè)量需要，也可間接有效地測(cè)量出材料表面輻射系數(shù)，便于散熱仿真參數(shù)設(shè)置[7]。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(cè)量，散熱模擬仿真結(jié)果如圖3所示，仿真溫度及實(shí)測(cè)溫度對(duì)比如表3所示，各元器件實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算結(jié)果偏差均小于2%，散熱仿真溫度估算方法可靠性較高。

表2 驅(qū)動(dòng)電源主要元器件仿真參數(shù)表Table 2 Simulation parameters of main power supply components

表3 溫度仿真及熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果(室溫25℃)Table 3 Temperature simulation and thermal couple testing result(room temperature 25℃) 單位：℃

3 驅(qū)動(dòng)電源散熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 電源腔陣列開(kāi)孔設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D4所示對(duì)LED燈具開(kāi)關(guān)電源腔進(jìn)行陣列開(kāi)孔，意在改善開(kāi)關(guān)電源熱對(duì)流條件，根據(jù)UL1993[8]的外孔開(kāi)孔安全間隙要求，孔徑必須小于2mm，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(jì)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(duì)比。

圖4 LED玉米燈電源腔開(kāi)孔Fig.4 Power supply cavity holing of corn LED lamp

通過(guò)表4數(shù)據(jù)分析可以看出，無(wú)論何種孔徑散熱改進(jìn)效果均不明顯。這主要是因?yàn)槿魏伟l(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(wú)法起到明顯增加電源腔自然熱對(duì)流的目的，但是帶風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流就另當(dāng)別論。

表4 溫度仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果(室溫25℃)Table 4 Temperature simulation testing result(room temperature 25℃) 單位：℃

2.2 電源灌膠

對(duì)電源腔采用灌膠(見(jiàn)圖6)的方式進(jìn)行優(yōu)化散熱，本次實(shí)驗(yàn)主要采用道康寧(Dow Corning)電源灌封膠，選擇5款帶有不同導(dǎo)熱系數(shù)的產(chǎn)品(0.29W/(m·K)～0.95W/(m·K))(見(jiàn)表5)。電源灌膠優(yōu)化方案主要不足問(wèn)題在于灌膠生產(chǎn)成本和生產(chǎn)工藝難度的增加，以及灌膠后LED燈具整體質(zhì)量的增加對(duì)LED燈具是否符合安規(guī)要求的影響等，需要仔細(xì)評(píng)估才能確定是否采取此方案。灌膠優(yōu)化散熱效果仿真如圖7中(1)～(5)所示，各主要元件仿真溫度值如表6所示。

圖5 LED玉米燈電源腔開(kāi)孔熱仿真結(jié)果(室溫25℃)Fig.5 Simulation result with power supply cavity holing of corn LED lamp (room temperature 25℃)

圖6 電源灌膠Fig.6 Power supply glue

型號(hào)5671701643～3600SE4430導(dǎo)熱系數(shù)/(W/(m·K))0.290.400.640.800.95

表6 溫度仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果(室溫25℃)Table 6 Temperature simulation testing sesult (room temperature 25℃) 單位：℃

從表6中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，通過(guò)灌膠可以提高開(kāi)關(guān)電源整體導(dǎo)熱散熱能力(可以實(shí)現(xiàn)至少10℃以上的降幅)，不僅能很好降低電源腔工作溫度，還能通過(guò)縮小各元器件的溫度差異實(shí)現(xiàn)整體電源溫度均衡化，對(duì)于改善開(kāi)關(guān)電源工作環(huán)境及提高電源壽命和可靠性具有非常大的幫助作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在準(zhǔn)確建立LED燈具驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源三維數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，針對(duì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源體積小、熱量集中、工作環(huán)境溫度高的情況，利用散熱仿真建模的方法分析電源腔陣列開(kāi)孔及電源腔灌膠這兩種優(yōu)化方法的改善效果。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)，受安規(guī)限制，電源腔開(kāi)孔的實(shí)際散熱優(yōu)化效果并不明顯；而電源腔灌膠由于大大改善內(nèi)外熱量傳遞效果，開(kāi)關(guān)電源散熱環(huán)境得到明顯優(yōu)化作用，但也受實(shí)際生產(chǎn)成本控制影響，需要根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際開(kāi)發(fā)需求來(lái)確定。因此，本文的研究結(jié)果對(duì)大功率LED燈具的開(kāi)關(guān)電源散熱設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

圖7 LED玉米燈電源腔灌膠熱仿真結(jié)果 (室溫25℃)Fig.7 Simulation result with power supply glue of corn LED lamp(room temperature 25℃)

[1] Billings K.開(kāi)關(guān)電源手冊(cè)[M].張占松，汪仁煌，謝麗萍，譯.北京：人民郵電出版社，2006.

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