驅(qū)動電源對LED燈具壽命的研究

劉雙全

摘 要 研究 LED 驅(qū)動電源的可靠性，主要是驅(qū)動電源中元器件的溫升和散熱問題，通過 SOLIDWORKS 軟件對 LED 驅(qū)動電源進(jìn)行3D建模，用熱仿真軟件進(jìn)行熱仿真分析，提出了降低器件溫升的方法，可以大大提高驅(qū)動電源的可靠性，增大驅(qū)動電源壽命。

關(guān)鍵詞 驅(qū)動電源 LED燈 可靠性

1模型建立

1.1失效概率密度和失效分布函數(shù)

失效分布函數(shù)就是壽命的分布函數(shù)，也稱為不可靠度，記為F（t）。它是產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)失效的概率，通常表示為F（t）=P（T≤t）失效概率密度是累積失效概率對時(shí)間t的倒數(shù)，記為f（t）。它是產(chǎn)品在包含t的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，可表示為f（t）==F'（t）。

1.2可靠度

可靠度是指產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率?？煽慷仁菚r(shí)間的函數(shù)，可靠度是可靠性的定量指標(biāo)?？煽慷仁菚r(shí)間的函數(shù)R（t），記為R（t）=P（T>t）=1F（t）=。通常表示為式中t為規(guī)定的時(shí)間，T表示產(chǎn)品壽命。

1.3失效率

已工作到時(shí)刻t的產(chǎn)品，在時(shí)刻t后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率成為該產(chǎn)品時(shí)刻t的失效率函數(shù)，簡稱失效率，記為。===。

2 LED驅(qū)動電源可靠性分析

溫度是影響驅(qū)動電源可靠性最重要的參數(shù)之一。驅(qū)動電源的內(nèi)部溫度升達(dá)到一定程度后，將會導(dǎo)致某些電子元器件失效，當(dāng)溫度超過一定的數(shù)值時(shí)，整個(gè)驅(qū)動電路都不能正常工作。故對驅(qū)動電路中電子元器件的研究是有必要的。

3功率器件的熱阻和溫升

根據(jù)能量守恒定律，由于自身的損耗，驅(qū)動電源的輸出功率不能完全轉(zhuǎn)換。驅(qū)動電源的發(fā)熱量取決于它的轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率越高，其發(fā)熱量越小；反之，驅(qū)動電源發(fā)熱量較大。在一定的條件下，驅(qū)動電源中電子元器件存在一定的溫升差別，即電子元器件的殼溫以及環(huán)境溫度的差異。對于溫度較高的位置，需要使用驅(qū)動電源降額，從而減少驅(qū)動電源的功率損耗，確保燈具中驅(qū)動電源溫度不超過其極限值。對于大功率驅(qū)動電路，可在必要時(shí)添加獨(dú)立散熱裝置確保電路正常運(yùn)行，不同的散熱裝置在自然條件下會對環(huán)境呈現(xiàn)出不同的熱阻。

4 LED驅(qū)動電源的仿真

采用 SOLIDWORKS 進(jìn)行 3D 立體模型圖繪制的熱仿真分析。搭建了 LED 驅(qū)動電源的器件主要有功率器件和發(fā)熱的電子元器（電解電容、變壓器、PCB 板、Y 電容、薄膜電容）構(gòu)成的立體模型圖。

（1）材料參數(shù)的取值，最后通過實(shí)際電路模型，在 FLOEFD 軟件上完成對材料屬性的自定義。材料類別有銅材料、電阻（陶瓷體）、PCB板、磁芯、骨架對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)（w/m K）分別為397、32、8.36，8.35，0.31、13，0.26。

（2）熱源條件，據(jù)實(shí)際電源的工作情況和廠家提供的規(guī)格說明書，電子元器件產(chǎn)生損耗如下表。

圖1分別給出了不同形式的仿真結(jié)果。由圖所示，可以得知變壓器穩(wěn)定在最高溫度為 68.92℃，確保環(huán)境溫度22℃，得到變壓器線圈的溫升46.92℃。其它電子元器件的溫升計(jì)算方法和變壓器線圈溫升計(jì)算方法相同；圖1仿真曲線圖表明，電子元器件的到達(dá)穩(wěn)定溫度需要一定時(shí)間，與現(xiàn)實(shí)驅(qū)動電路發(fā)熱也相似，約在正常工作半小時(shí)內(nèi)，電子元器件的溫度基本達(dá)到穩(wěn)定。

5 LED 驅(qū)動電源溫升改進(jìn)方法

5.1改進(jìn)變壓器

LED 驅(qū)動電源中的隔離變壓器要降溫，關(guān)鍵是要避免變壓器鐵氧體磁芯出現(xiàn)磁飽和，一旦出現(xiàn)磁飽和，熱和電磁輻射的形式就會向外發(fā)射，因此增大磁芯和氣隙的體積，可以降低溫度。

5.2改變 PCB 板的布局

（1）元器件的安裝在最佳自然散熱的位置上，使熱通路盡可能的短。同一塊PCB 上的元器件應(yīng)按發(fā)熱量大小及散熱程度了分開排列，耐熱性差或發(fā)熱量小的元器件放在冷卻氣流的入口處，耐熱性好或發(fā)熱量大的元器件放在冷卻氣流的最下游。元器件安裝方向的橫向面與風(fēng)向平行，有利于熱對流。

（2）PCB 的熱容量要均勻分布，不應(yīng)將大功耗元器件集中布放。冷卻氣流流速不大時(shí)，元器件按交錯方式進(jìn)行排列，以增加散熱效果。

（3）在元器件布局時(shí)要充分考慮到周圍熱輻射的影響，對熱敏感的元器件要遠(yuǎn)離熱源或者將其隔離。對于溫度高于 35℃的熱源，在自然冷卻條件下，元器件距離熱源距離不小于 4mm。對溫度比較敏感的元器件，應(yīng)安置在溫度最低的區(qū)域，不能將其放在發(fā)熱元器件的上方，多個(gè)元器件在水平面上交錯布局。

5.3增加散熱裝置

依據(jù)驅(qū)動電源在正常工作環(huán)境下的參數(shù)和性能，確定 LED 驅(qū)動電源是否要加裝驅(qū)動散熱器；如果需要安裝驅(qū)動散熱裝置，考慮散熱裝置的熱阻，選定較合適散熱器的熱阻時(shí)，計(jì)算驅(qū)動電路中功率器件的結(jié)溫，再判斷所選散熱器是否滿足要求。最后將選擇合適的散熱裝置的器件物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高驅(qū)動電源的散熱裝置可靠性。

6結(jié)論

搭建了 LED 驅(qū)動電源的 3D 模型圖，對驅(qū)動電源的 3D 模型圖進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?；利用SOLIDWORKS 進(jìn)行 3D 立體模型圖繪制的熱仿真分析；溫度是其影響的LED燈壽命的主要因素，若要延長其壽命，需要對驅(qū)動電路進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，G改進(jìn)電壓器，改變PCB板的布局，增加散熱裝置等。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉彬.LED 驅(qū)動電源的研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[2] 張雪粉.大功率LED 散熱研究及散熱器設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[3] 鄒琳.LED照明燈具壽命影響因素及測試方法的研究[D].大連：大連工業(yè)大學(xué)，2013.

[4] 鐘曉智.LED 照明燈具壽命影響因素的研究[J].科技與企業(yè)，2014（24）：185-185.

[5] Farley，D.&W.van;&Driel;&G.Q.Zhang.Us; ing Physics of Failure and Modeling in SS L System Reliability Assessment[M].Proceeding China SSL，2011：127-131.