LED驱动电源仿真建模与实验研究

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  摘要:LED照明灯是具有节能与环保功能的新型绿色光源。但由于散热问题的制约,会产生严重的光衰现象。为满足实际运用的需要,文章设计研发了55WLED大功率球泡灯,并针对LED散热结构进行了研究,旨在设计开发适用的LED散热系统。
  关键词:LED照明;散热器;分散结构
  LED具有不含汞、环保、高效、长寿命、无辐射、功耗低等一系列优点。作为新一代光源,LED 照明已经成为公认的节能环保照明解决方案。然而,LED 的发展虽然在很大程度上改善了传统灯具的缺点和不足,但随着LED照明灯具功率的不断增大,散热系统的管理显得尤为重要。
  1.产品性能指标的确定
  55W大功率LED球泡灯的主要设计指标如下:
  (1)适用于密闭式灯具;
  (2)120~277V宽电压,PF>0.900;
  (3)符合UL/ETL安规标准;
  (4)IP等级IP20;
  (5)功率为55W,光通量5500lm,可替换MH175;
  (6)光效≥110lm/W;
  (7)尺寸为200mm×155mm;
  (8)重量<1.2kg
  (9)平均寿命50000h。
  2.产品设计
  产品设计的关键是散热与结构、电源的设计[1]。
  2.1解决散热的问题
  发光二极管(LightEmittingDiode,LED)是一种固态发光半导体装置,能将电能直接转换成光[1]。LED在照明领域被认为是第四代绿色光源,然而散热问题一直是大功率LED发展的瓶颈,它影响着LED的稳定性、可靠性和使用寿命,可以说热量问题被认为是LED发展的致命缺陷。对于大功率LED来说,LED只将15%的能量转换成光,其它能量全部转换成热能,其光转换效率很低。如果LED产生的热量全部集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出,则会导致芯片温度过高,引起热应力的非均匀分布,芯片产生光衰造成死灯现象。
  散热的解决采取点、线、面、件、体、整灯散热。LED芯片采用结温125℃的灯珠,其热量小、热容散热快、亮度高;灯珠贴片于光源板上,光源板背面涂抹导热硅脂,用于散热。电源电源盒采用PC料,内部填充散热胶及导热硅脂,用于散热。另外,散热器的设计是关键,本研究中散热器采用散热片分散结构,采用27根筋的扇形设计,散热器材质为AlSi12Cu(铝硅12铜),散热器的重量仅0.66kg。散热器的上下面和LED光源板连接,其他各方面互通散热、无死角。电源的元器件采用接插式连接,线路板和元器件形成敞开式一体化,使散热速度提高,使用时间延长。经过各方面散热处理生产的灯进行温度测试,如图1所示,120V点灯时,灯的元器件温度最高点不超过90℃,可保证灯的寿命达到50000h。
  2.2结构的设计
  (1)上下出光面的设计
  55W大功率LED球泡灯结构上最新颖的设计在于两面出光。与普通大功率球泡灯相比,55W大功率LED球泡灯具有上下两个出光面,可提高光通量,在使用上能大大提高使用环境的明亮度;作为车库灯,可增加车库顶面的照明,改善行车环境。设计散热器两端均可以放置LED灯板,上方一块小板,灯珠采用16C1B方式,可根据用户要求满足其他方案;下方一块大板,灯珠采用16C9B方式,可根据用户要求满足其他方案[2]。
  (2)整体的设计
  55W大功率LED球泡灯,包括散热器、套筒、PC盖板、灯头、电源组件、灯珠、小光源板、大光源板。如图2所示,灯珠与光源板连接,小光源板和大光源板固定在散热器上,散热器与套筒固定在一起,电源安装在套筒内,套筒与灯头固定,PC盖板与散热器固定,小光源板与大光源板分别装于散热器两端,大小光源板灯珠均匀分布,散热器散热片扇形均匀分布,整灯尺寸小于宽200mm高155mm,整灯重量小于1.2kg。
  (3)电源的设计
  55W大功率LED球泡灯,电源为开关隔离电源,符合LVLE要求;电压为宽电压设计,电压范围为120~277V;功率因数≥0.9。电源元器件方面,所有元器件的耐温耐压要求均满足宽电压277V及整灯温度的要求。输入线采用22-24#硅胶线利于组装,LED导线采用22#硅胶镀锡线,便于与灯板上的端子连接[2]。
  3.制灯工艺
  生产该灯时,主要工艺为组装工艺。光源板为大小两块光源板,灯珠采用回流焊贴片工艺;光源板背面涂抹导热硅脂,通过螺丝固定于散热器上下两面。电源装于电源盒(套筒)内,内部填充用于散热的灌封胶,灌封胶为AB型灌封胶,需按1∶1比例混合后搅拌均匀注入电源盒内,其固化时间需4h左右;电源盒一端与灯头连接,灯头内部涂抹导热硅胶,导线焊锡于灯头顶部与侧面,灯头采用打钉方式固定保证牢固度;电源盒一端与散热器通过螺丝固定。电源与光源板的导线通过端子连接,散热器另一端放置PC盖板,完成整体组装[3]。
  4.产品研制结果
  本研究已研制多组55W大功率LED球泡灯样品,完成了初步送样和寿命测试及ETL认证。抽样测试结果见表1,其性能指标均符合预定要求[4]。针对试制品抽样寿命测试1000h,其光通维持率为99~100%。本研究的方法适用于功率范围在35~55W的LED球泡灯,可满足不同显色指数和色温要求。
  5.结束语
  总的来说,LED 的发展在很大程度上改善了传统灯具的缺点和不足,但仍存在许多问题制约其发展,其中散热是根本性的问题。通过上述研究表明,该设计在使用上能使照明更清晰,光照均匀创造更明亮、创造安全的行车环境以及很好的控制眩光,组件密封防潮维护成本低,并针对如何改善大功率LED灯具散热器的散热性能,进行了散热器的结构设计,为将来的大功率LED灯具的研制与开发提供了理论依据。
  参考文献:
  [1]佟鑫. LED灯具散热器的结构研究与优化设计[D]. 吉林大学,2013.
  [2]宣宏伟. LED 灯具散热器的结构研究與优化设计[J]. 工程技术:文摘版,2016(7):00081-00081.
  [3]阮友亮,闫转芳,阎茜,等. LED照明灯具散热器结构优化设计[J]. 中国照明电器,2013(12).
  [4]杨敏. 大功率LED灯具散热器材料和结构优化设计[D]. 华南师范大学,2015.
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