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

沈亞鋒

(廈門華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門 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(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)出成品后再通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(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)。通過對(duì)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(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、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LED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、開關(guān)MOS管的開關(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，需要通過相應(yīng)散熱設(shè)計(jì)來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，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，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[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)行測量，散熱模擬仿真結(jié)果如圖3所示，仿真溫度及實(shí)測溫度對(duì)比如表3所示，各元器件實(shí)測溫度與計(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 電源腔陣列開孔設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D4所示對(duì)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(duì)流條件，根據(jù)UL1993[8]的外孔開孔安全間隙要求，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玉米燈電源腔開孔Fig.4 Power supply cavity holing of corn LED lamp

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?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))(見表5)。電源灌膠優(yōu)化方案主要不足問題在于灌膠生產(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，通過灌膠可以提高開關(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

本文在準(zhǔn)確建立LED燈具驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源三維數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，針對(duì)開關(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孔及電源腔灌膠這兩種優(yōu)化方法的改善效果。通過分析研究發(fā)現(xiàn)，受安規(guī)限制，電源腔開孔的實(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)際開發(fā)需求來確定。因此，本文的研究結(jié)果對(duì)大功率LED燈具的開關(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.

[2] 海基科技.LED燈同步CFD分析解決方案[DB/OL].http://wenku.baidu.com/view/514e783b5901020207409ca2.html，2012-7.

[3] 陳杰.LED筒燈散熱仿真及光源布局優(yōu)化研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24(3)：81-86.

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[7] Mika M，Aulis T.Thermal analysis of LED spot lighting device operating in external natural or forced heat convection[J].Microelectronics Reliability，2013(53)：428-434.

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