驱动电源对LED灯具寿命的研究

刘双全

摘 要 研究 LED 驱动电源的可靠性，主要是驱动电源中元器件的温升和散热问题，通过 SOLIDWORKS 软件对 LED 驱动电源进行3D建模，用热仿真软件进行热仿真分析，提出了降低器件温升的方法，可以大大提高驱动电源的可靠性，增大驱动电源寿命。

关键词 驱动电源 LED灯 可靠性

1模型建立

1.1失效概率密度和失效分布函数

失效分布函数就是寿命的分布函数，也称为不可靠度，记为F（t）。它是产品或系统在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，通常表示为F（t）=P（T≤t）失效概率密度是累积失效概率对时间t的倒数，记为f（t）。它是产品在包含t的单位时间内发生失效的概率，可表示为f（t）==F'（t）。

1.2可靠度

可靠度是指产品或系统在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠度是时间的函数，可靠度是可靠性的定量指标。可靠度是时间的函数R（t），记为R（t）=P（T>t）=1F（t）=。通常表示为式中t为规定的时间，T表示产品寿命。

1.3失效率

已工作到时刻t的产品，在时刻t后单位时间内发生失效的概率成为该产品时刻t的失效率函数，简称失效率，记为。===。

2 LED驱动电源可靠性分析

温度是影响驱动电源可靠性最重要的参数之一。驱动电源的内部温度升达到一定程度后，将会导致某些电子元器件失效，当温度超过一定的数值时，整个驱动电路都不能正常工作。故对驱动电路中电子元器件的研究是有必要的。

3功率器件的热阻和温升

根据能量守恒定律，由于自身的损耗，驱动电源的输出功率不能完全转换。驱动电源的发热量取决于它的转换效率，转换效率越高，其发热量越小；反之，驱动电源发热量较大。在一定的条件下，驱动电源中电子元器件存在一定的温升差别，即电子元器件的壳温以及环境温度的差异。对于温度较高的位置，需要使用驱动电源降额，从而减少驱动电源的功率损耗，确保灯具中驱动电源温度不超过其极限值。对于大功率驱动电路，可在必要时添加独立散热装置确保电路正常运行，不同的散热装置在自然条件下会对环境呈现出不同的热阻。

4 LED驱动电源的仿真

采用 SOLIDWORKS 进行 3D 立体模型图绘制的热仿真分析。搭建了 LED 驱动电源的器件主要有功率器件和发热的电子元器（电解电容、变压器、PCB 板、Y 电容、薄膜电容）构成的立体模型图。

（1）材料参数的取值，最后通过实际电路模型，在 FLOEFD 软件上完成对材料属性的自定义。材料类别有铜材料、电阻（陶瓷体）、PCB板、磁芯、骨架对应的导热系数（w/m K）分别为397、32、8.36，8.35，0.31、13，0.26。

（2）热源条件，据实际电源的工作情况和厂家提供的规格说明书，电子元器件产生损耗如下表。

图1分别给出了不同形式的仿真结果。由图所示，可以得知变压器稳定在最高温度为 68.92℃，确保环境温度22℃，得到变压器线圈的温升46.92℃。其它电子元器件的温升计算方法和变压器线圈温升计算方法相同；图1仿真曲线图表明，电子元器件的到達稳定温度需要一定时间，与现实驱动电路发热也相似，约在正常工作半小时内，电子元器件的温度基本达到稳定。

5 LED 驱动电源温升改进方法

5.1改进变压器

LED 驱动电源中的隔离变压器要降温，关键是要避免变压器铁氧体磁芯出现磁饱和，一旦出现磁饱和，热和电磁辐射的形式就会向外发射，因此增大磁芯和气隙的体积，可以降低温度。

5.2改变 PCB 板的布局

（1）元器件的安装在最佳自然散热的位置上，使热通路尽可能的短。同一块PCB 上的元器件应按发热量大小及散热程度了分开排列，耐热性差或发热量小的元器件放在冷却气流的入口处，耐热性好或发热量大的元器件放在冷却气流的最下游。元器件安装方向的横向面与风向平行，有利于热对流。

（2）PCB 的热容量要均匀分布，不应将大功耗元器件集中布放。冷却气流流速不大时，元器件按交错方式进行排列，以增加散热效果。

（3）在元器件布局时要充分考虑到周围热辐射的影响，对热敏感的元器件要远离热源或者将其隔离。对于温度高于 35℃的热源，在自然冷却条件下，元器件距离热源距离不小于 4mm。对温度比较敏感的元器件，应安置在温度最低的区域，不能将其放在发热元器件的上方，多个元器件在水平面上交错布局。

5.3增加散热装置

依据驱动电源在正常工作环境下的参数和性能，确定 LED 驱动电源是否要加装驱动散热器；如果需要安装驱动散热装置，考虑散热装置的热阻，选定较合适散热器的热阻时，计算驱动电路中功率器件的结温，再判断所选散热器是否满足要求。最后将选择合适的散热装置的器件物理结构进行优化和改进，提高驱动电源的散热装置可靠性。

6结论

搭建了 LED 驱动电源的 3D 模型图，对驱动电源的 3D 模型图进行了适当的简化；利用SOLIDWORKS 进行 3D 立体模型图绘制的热仿真分析；温度是其影响的LED灯寿命的主要因素，若要延长其寿命，需要对驱动电路进行热设计，G改进电压器，改变PCB板的布局，增加散热装置等。

参考文献

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