驅動電源對LED燈具壽命的研究

劉雙全

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

關鍵詞 驅動電源 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

失效分布函數就是壽命的分布函數，也稱為不可靠度，記為F（t）。它是產品或系統在規定的條件下和規定的時間內失效的概率，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間t的倒數，記為f（t）。它是產品在包含t的單位時間內發生失效的概率，可表示為f（t）==F'（t）。

1.2可靠度

可靠度是指產品或系統在規定的條件下，規定的時間內，完成規定功能的概率。可靠度是時間的函數，可靠度是可靠性的定量指標。可靠度是時間的函數R（t），記為R（t）=P（T>t）=1F（t）=。通常表示為式中t為規定的時間，T表示產品壽命。

1.3失效率

已工作到時刻t的產品，在時刻t后單位時間內發生失效的概率成為該產品時刻t的失效率函數，簡稱失效率，記為。===。

2 LED驅動電源可靠性分析

溫度是影響驅動電源可靠性最重要的參數之一。驅動電源的內部溫度升達到一定程度后，將會導致某些電子元器件失效，當溫度超過一定的數值時，整個驅動電路都不能正常工作。故對驅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

根據能量守恒定律，由于自身的損耗，驅動電源的輸出功率不能完全轉換。驅動電源的發熱量取決于它的轉換效率，轉換效率越高，其發熱量越小；反之，驅動電源發熱量較大。在一定的條件下，驅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境溫度的差異。對于溫度較高的位置，需要使用驅動電源降額，從而減少驅動電源的功率損耗，確保燈具中驅動電源溫度不超過其極限值。對于大功率驅動電路，可在必要時添加獨立散熱裝置確保電路正常運行，不同的散熱裝置在自然條件下會對環境呈現出不同的熱阻。

4 LED驅動電源的仿真

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

（1）材料參數的取值，最后通過實際電路模型，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、骨架對應的導熱系數（w/m K）分別為397、32、8.36，8.35，0.31、13，0.26。

（2）熱源條件，據實際電源的工作情況和廠家提供的規格說明書，電子元器件產生損耗如下表。

圖1分別給出了不同形式的仿真結果。由圖所示，可以得知變壓器穩定在最高溫度為 68.92℃，確保環境溫度22℃，得到變壓器線圈的溫升46.92℃。其它電子元器件的溫升計算方法和變壓器線圈溫升計算方法相同；圖1仿真曲線圖表明，電子元器件的到達穩定溫度需要一定時間，與現實驅動電路發熱也相似，約在正常工作半小時內，電子元器件的溫度基本達到穩定。

5 LED 驅動電源溫升改進方法

5.1改進變壓器

LED 驅動電源中的隔離變壓器要降溫，關鍵是要避免變壓器鐵氧體磁芯出現磁飽和，一旦出現磁飽和，熱和電磁輻射的形式就會向外發射，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 上的元器件應按發熱量大小及散熱程度了分開排列，耐熱性差或發熱量小的元器件放在冷卻氣流的入口處，耐熱性好或發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向平行，有利于熱對流。

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

（3）在元器件布局時要充分考慮到周圍熱輻射的影響，對熱敏感的元器件要遠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，應安置在溫度最低的區域，不能將其放在發熱元器件的上方，多個元器件在水平面上交錯布局。

5.3增加散熱裝置

依據驅動電源在正常工作環境下的參數和性能，確定 LED 驅動電源是否要加裝驅動散熱器；如果需要安裝驅動散熱裝置，考慮散熱裝置的熱阻，選定較合適散熱器的熱阻時，計算驅動電路中功率器件的結溫，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構進行優化和改進，提高驅動電源的散熱裝置可靠性。

6結論

搭建了 LED 驅動電源的 3D 模型圖，對驅動電源的 3D 模型圖進行了適當的簡化；利用SOLIDWORKS 進行 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，需要對驅動電路進行熱設計，G改進電壓器，改變PCB板的布局，增加散熱裝置等。

參考文獻

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