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(shí)間:2015-11-29

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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,， 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(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,。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，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(jì)技術(shù),，采用流體力學(xué)CFD仿真手段對(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,， 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(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,。

LED驅(qū)動(dòng)電源散熱建模

電源發(fā)熱量計(jì)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(dòng)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(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,， led室內(nèi)照明,，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,。

本文中將以40WLED玉米燈驅(qū)動(dòng)電源作為研究對(duì)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(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.

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(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，設(shè)計(jì),，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，廠房照明，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,。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，LED天花燈,，各元器件實(shí)測(cè)溫度與計(jì)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(dòng)電源散熱環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(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,。

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,。

電源灌膠