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再谈LED路灯防水电源的可靠性设计

 
 
 
 
再谈LED路灯防水电源的可靠性设计
电源网第五届LED通用照明驱动技术研讨会 
邹超洋
2014.5
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    关于大功率LED路灯防水电源的可靠性设计,一直以来是广大LED电源工程师关注的话题,在2012年第三届的LED专题研讨会上,我跟大家一起在理念设计与理论设计上有做过简单的探讨,那么本次会议我要跟大家一起来探讨下大功率LED路灯防水电源可靠性设计所面临的一些实际问题。
前 言
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内容提要
防水设计
散热设计
防雷设计
LED防水电源可靠性测试与验证
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LED路灯电源防水设计的意义
设备和工程材料腐蚀过程中, 水是主要的介质. 当大气中RH20 %,几乎所有腐蚀现象都停止. 因此防潮(水)是三防中最重要的一环.
RH达到60 % , 设备表面层会形成 2~4 个水分子厚的水膜.当有污染物溶入时, 会有化学反应产生.
RH达到 80 % 会有 5~20个分子厚的水膜, 各种分子都可自由活动,当有碳元素存在,可能产生电化学反应.
水分子很小,足以能穿透某些高分子材料的网状分子间隙而进入内部或通过涂层的针孔而达到底层金属产生腐蚀。
 
防水很重要,忽略后果很严重
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防尘等级 ( **个 X 表示 )   
 
0 :没有保护 
1 :可抵御超过50mm的固体物质侵入
2 :可抵御直径超过12mm直径、长度不超过8mm的固体物质。  
3 :可抵御直径超过2.5mm的固体物质。 
4 :可抵御直径超过1.0mm的固体物质。 
5 :防尘,有限进入(无有害堆积物)。 
6 :完全防止任何粉尘进入 
防尘防水的标准与要求
依据 标准IEC529/EN60529/GB4208      
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防尘防水的标准与要求
防水等级 ( 第二个 X 表示 )  
0 :没有保护 
1 :防止滴水侵入, 垂直滴下的水滴(如凝结水)不会造成有害影响  
2 : 倾斜15°时可防止滴水侵入 ,当外壳倾斜到15度时,水滴滴入到外壳无影响 
3 :防止喷洒的水侵入,水或雨水从 60 度角落到外壳上无影响 
4 :防止飞溅的水侵入 ,液体由任何方向泼到外壳没有伤害影响 
5 :防止喷射的水侵入 ,用任意方向的水流冲洗无任何伤害 
6 :防止大浪的侵入 ,可经受来自任何方向的强力水柱喷射,允许有限的进入。  
7 : 防止浸水时的水侵入,允许短暂放入0.15m1m深的水中,时间可长达30分钟。 
8 :防止沉没时的水侵入 ,于一定压力下长时间浸水无影响
依据 标准IEC529/EN60529/GB4208       
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电气功能区

进线端口的防水胶圈与线材有空隙,且容易老化,或与线材产生中毒现象
挡板与底壳的接触处有缝隙,会产生漏胶,进水等可靠性问题
防水功能区

LED路灯电源防水设计
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胶水的种类与材质,流动性,粘度,比重,导热率,绝缘强度,膨胀系数,环保性能,与不同材质的线材兼容性,对EMC特性的影响等无不考验着防水防尘的设计

即使灌满了硅胶还是会存在进水的可能性
LED路灯电源防水设计
灌封高导热A,B组分硅胶,主要作用是防水防尘,降低热阻,提高电源内部的导热率,加强散热
 
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防水防尘设计还要面对振动测试,拉力测试,机械性能测试等挑战
LED路灯电源防水设计
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采用三重防水防尘功能,以达到IP67的要求
LED路灯电源防水设计

三重防水功能
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Ø   LED电源需要长期满负荷的工作,且工作环境非常恶劣,可能在持续的高温下长期满载工作。
 
LED路灯电源散热设计的必要性
Ø   光源本身的发热量很大,如果散热设计不合理,就会将大量的热通过热传导或者热辐射,将热能传给LED路灯电源,从而引起电源的工作环境温度被动的上升。
 
Ø   随着电源功率密度的不断上升,要达到高可靠性必须小心处理热,尽量使电源内部各处达到热平衡,防止热累积效应,否则效率再高的电源,其内部的局部器件热应力都可能超标。
 
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Ø   LED电源散热的特殊性
 

LED路灯电源散热设计
l LED路灯电源本身需要有防水防尘等级达到IP67,其内部一般都是通过灌封胶来防护,所以电源内部的散热方式主要是以热传导为主。
 
      
l LED路灯防水电源外壳一般都是金属合金外壳,其最终的热量散发主要是通过外壳向周围空间的热辐射为主要途径,故在设计的时候需要尽量减少发热器件跟外壳之间的热阻
 
Ø   LED路灯防水电源在将效率尽量做高的同时,要做好热平衡设计,发热器件在整体布局上需要结合散热结构,使发热元器件均匀分布在整个电路板上,这样可以合理的利用空间。
 
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高发热,高温区域
中等发热,中温区域
低发热,低温区域
LED路灯电源散热设计
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LED路灯电源散热设计

PFC电感
EMI电感
谐振电感
移相全桥变压器
输出电感
输出整流二极管
移相全桥功率MOSFET
母线电解电容
谐振电容
PFC电路功率器件
辅助电源与控制电路
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LED路灯电源散热设计
Ø   LED路灯防水电源散热设计要点
 
u 在保证散热要求的前提下,尽量选用体积小、重量轻的散热器; 
u 安装时,应尽量增大器件和散热器的接触面积和压力,还要用硅脂涂在接触面上,这样做可使接触热阻降低。 
u 散热器表面应粗糙(与器件接触面应有好的光洁度),以增加散热片与其他导热介质的接触面积。 
u发热器件在布局时,尽量安排靠近外围,这样可以降低发热器件跟外壳之间的热阻,使热量很快就通过电源的外壳散热掉。 
u 发热器件要跟热敏感器件之间留一定的空间,不要造成因为发热器件影响是导致电源的寿命瓶颈。
 
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电压浪涌是指电子系统额定工作电压瞬时升高,其幅度达到额定工作电压的几倍~几百倍。电压浪涌可能引起通信系统的数据失真和丢失,甚至造成电子设备损坏。
 
产生电压浪涌的原因有:雷击、设备开关、静电放电和线路故障。雷击发生的频率相对其它原因要少得多,但危害却是最大的。
 
在建筑物、高架输电线或通信电缆附近发生的静电放电,通过地电位变化或电磁耦合引起的雷击电压浪涌,称为间接雷击。
 
例如一个距离数据电缆或建筑物100m的雷击放电,可能在该数据电缆上感应6KV、3KA的电压浪涌。
 
有报道显示,广东省每年因为遭遇雷击而造成的直接经济损失高达九十多亿,故防雷设计需要引起我们高度重视
LED路灯电源防雷设计
www.dianyuan.com 雷击感应电压浪涌的途径,主要的耦合途径有如下图三种。
LED路灯电源防雷设计
电阻耦合电感耦合电容耦合
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为防止雷击电流与雷电电磁脉冲产生的危害,一般需要进行三级防雷。
LED路灯电源防雷设计
Ø **级防雷(防直击雷):         
 
防止直接的传导雷进入后级区域,要将上万甚至几十万V的浪涌
电压限制在2.5-3KV
Ø 第二级防雷(防感应雷):         
 
进一步将通过**级的残余浪涌电压限制在1.5-2KV,**级防雷
与第二级防雷电路实行等电位连接。
Ø 第三级防雷(防感应雷):         
 
最终保护设备的防护级,需要将残余的浪涌电压降低到1KV
以内,是浪涌的能量不至于破坏设备。
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电压浪涌的模拟
 
 按照IEC6100045GB/T17626.5)标准的要求,要能分别模拟在电源线上和通信线路上的雷击浪涌试验。由于线路的阻抗不一样,浪涌在这两种线路上的波形也不一样,要分别模拟。
 主要用于电源线路试验的1.2/50μs(电压波)和8/20μs(电流波)的综合波发生器
 对试验发生器的基本性能要**:
 开路电压波:1.2/50μs
 短路电流波:8/20μs
 开路输出电压(峰值):0.5kV4kV
 短路输出电流(峰值):0.25kA2kA
 发生器内阻:(可附加电阻1040Ω,以便形成1242Ω的发生器内阻)
 浪涌输出极性:正/
 浪涌移相范围:0°~360°
 最大重复率:至少每分钟1LED路灯电源防雷设计
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雷击浪涌试验波形 LED路灯电源防雷设计
在实际测试中,一般都是脉冲电压与脉冲电流的组合波形出现进行实际测试
www.dianyuan.com 雷击浪涌的防护器件
LED路灯电源防雷设计
Ø金属氧化物压敏电阻
“压敏电阻"是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于在电路承受过压时进行电压嵌位,吸收多余的电流以保护敏感器件。英文名称叫“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”, 或者叫做“Varistor" 
压敏电阻伏安特性
压敏电阻等效模型
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LED路灯电源防雷设计 主要的性能参数为:              1.压敏电压:         2.最大连续电压:      3.限制电压:      4.额定功率:      5.最大能量:      6.通流容量(最大冲击电流)         7.泄漏电流 
特点:
     
        可变阻的电压范围宽
        能承受大的浪涌电流冲击
        拥有ns级别的快速反应能力
        较低的泄漏电流
        使用中无极性要求
        拥有较小的封装体积
www.dianyuan.com LED路灯电源防雷设计
Ø气体放电管
 
放电管的工作原理,是利用惰性气体(氖或氢)在某个电压时放电特性,来泄放其两端浪涌电压产生的强电流。  当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时,两极间的间隙将放电,将惰性气体击穿,并发出强光(电弧);由原来的绝缘状态转化为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平 
物理结构图
符号实际产品
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LED路灯电源防雷设计 气体放电管主要的性能参数为:              1.直流放电电压:在上升陡度低于100V/s的电压作用下,放电管开始放电 的平均电压值称为其直流放电电压。           2.冲击放电电压:在具有规定上升陡度的暂态电压脉冲作用下,放电管开始放电的电压值称为其冲击放电电压。         3.工频耐受电流放电管通过工频电流5次,使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流。         4.冲击耐受电流:将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流,使其直流放电电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大值电流峰值称为管子的冲击耐受电流。     5.绝缘电阻(10^9Ω)和极间电容(1-5pF)。 气体放电管的特点:     优点:绝缘电阻很大,寄生电容很小,浪涌防护能力强,几乎无漏电流。缺点:在于放电时延(即响应时间)较大,动作灵敏度不够理想。            有可能存在续流现象。
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LED路灯电源防雷设计
Ø瞬态以及二极管
 
瞬态二极管(Transient Voltage Suppressor)简称TVS,是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10的负12次方秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。 
www.dianyuan.com LED路灯电源防雷设计
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LED路灯电源防雷设计
www.dianyuan.com 单级PFC电路整流之后的防雷 LED路灯电源防雷设计
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Ø 防水防尘性能测试验证
LED电源可靠性测试与验证
防尘试验箱 冲水试验箱
淋雨试验设备
www.dianyuan.com LED电源可靠性测试与验证
Ø 散热性能测试验证
 
热电偶点温法 热成像测温法
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LED电源可靠性测试与验证
Ø 防雷性能测与验证
 
雷击浪涌测试设备
 
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