再談LED路燈防水電源的可靠性設計
電源網第五屆LED通用照明驅動技術研討會
鄒超洋
2014.5
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關于大功率LED路燈防水電源的可靠性設計，一直以來是廣大LED電源工程師關注的話題，在2012年第三屆的LED專題研討會上，我跟大家一起在理念設計與理論設計上有做過簡單的探討，那么本次會議我要跟大家一起來探討下大功率LED路燈防水電源可靠性設計所面臨的一些實際問題。
前 言
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內容提要
防水設計
散熱設計
防雷設計
LED防水電源可靠性測試與驗證
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LED路燈電源防水設計的意義
設備和工程材料腐蝕過程中, 水是主要的介質. 當大氣中RH＜20 %，幾乎所有腐蝕現象都停止. 因此防潮（水）是三防中最重要的一環(huán).
當RH達到60 % 時, 設備表面層會形成 2~4 個水分子厚的水膜.當有污染物溶入時, 會有化學反應產生.
當RH達到 80 % 時, 會有 5~20個分子厚的水膜, 各種分子都可自由活動，當有碳元素存在,可能產生電化學反應.
水分子很小，足以能穿透某些高分子材料的網狀分子間隙而進入內部或通過涂層的針孔而達到底層金屬產生腐蝕。
防水很重要，忽略后果很嚴重
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防塵等級 ( 第一個 X 表示 )
0 ：沒有保護
1 ：可抵御超過50mm的固體物質侵入
2 ：可抵御直徑超過12mm直徑、長度不超過8mm的固體物質。
3 ：可抵御直徑超過2.5mm的固體物質。
4 ：可抵御直徑超過1.0mm的固體物質。
5 ：防塵，有限進入（無有害堆積物）。
6 ：完全防止任何粉塵進入
防塵防水的標準與要求
依據 標準IEC529/EN60529/GB4208
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防塵防水的標準與要求
防水等級 ( **個 X 表示 )
0 ：沒有保護
1 ：防止滴水侵入， 垂直滴下的水滴（如凝結水）不會造成有害影響
2 ： 傾斜15°時可防止滴水侵入 ，當外殼傾斜到15度時，水滴滴入到外殼無影響
3 ：防止噴灑的水侵入，水或雨水從 60 度角落到外殼上無影響
4 ：防止飛濺的水侵入 ，液體由任何方向潑到外殼沒有傷害影響
5 ：防止噴射的水侵入 ，用任意方向的水流沖洗無任何傷害
6 ：防止大浪的侵入 ，可經受來自任何方向的強力水柱噴射，允許有限的進入。
7 ： 防止浸水時的水侵入，允許短暫放入0.15m—1m深的水中，時間可長達30分鐘。
8 ：防止沉沒時的水侵入 ，于一定壓力下長時間浸水無影響
依據 標準IEC529/EN60529/GB4208
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電氣功能區(qū)
進線端口的防水膠圈與線材有空隙，且容易老化，或與線材產生中毒現象
擋板與底殼的接觸處有縫隙，會產生漏膠，進水等可靠性問題
防水功能區(qū)
LED路燈電源防水設計
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膠水的種類與材質，流動性，粘度，比重，導熱率，絕緣強度，膨脹系數，環(huán)保性能，與不同材質的線材兼容性，對EMC特性的影響等無不考驗著防水防塵的設計
即使灌滿了硅膠還是會存在進水的可能性
LED路燈電源防水設計
灌封高導熱A,B組分硅膠,主要作用是防水防塵，降低熱阻，提高電源內部的導熱率，加強散熱
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防水防塵設計還要面對振動測試，拉力測試，機械性能測試等挑戰(zhàn)
LED路燈電源防水設計
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采用三重防水防塵功能，以達到IP67的要求
LED路燈電源防水設計
①
③
②
三重防水功能
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Ø LED電源需要長期滿負荷的工作,且工作環(huán)境非常惡劣，可能在持續(xù)的高溫下長期滿載工作。
LED路燈電源散熱設計的必要性
Ø 光源本身的發(fā)熱量很大，如果散熱設計不合理，就會將大量的熱通過熱傳導或者熱輻射，將熱能傳給LED路燈電源，從而引起電源的工作環(huán)境溫度被動的上升。
Ø 隨著電源功率密度的不斷上升，要達到高可靠性必須小心處理熱，盡量使電源內部各處達到熱平衡，防止熱累積效應，否則效率再高的電源，其內部的局部器件熱應力都可能超標。
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Ø LED電源散熱的特殊性
LED路燈電源散熱設計
l LED路燈電源本身需要有防水防塵等級達到IP67，其內部一般都是通過灌封膠來防護，所以電源內部的散熱方式主要是以熱傳導為主。
l LED路燈防水電源外殼一般都是金屬合金外殼，其最終的熱量散發(fā)主要是通過外殼向周圍空間的熱輻射為主要途徑，故在設計的時候需要盡量減少發(fā)熱器件跟外殼之間的熱阻
Ø LED路燈防水電源在將效率盡量做高的同時，要做好熱平衡設計，發(fā)熱器件在整體布局上需要結合散熱結構，使發(fā)熱元器件均勻分布在整個電路板上，這樣可以合理的利用空間。
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高發(fā)熱，高溫區(qū)域
中等發(fā)熱，中溫區(qū)域
低發(fā)熱，低溫區(qū)域
LED路燈電源散熱設計
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LED路燈電源散熱設計
PFC電感
諧振電感
移相全橋變壓器
輸出電感
輸出整流二極管
移相全橋功率MOSFET
母線電解電容
諧振電容
輔助電源與控制電路
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LED路燈電源散熱設計
Ø LED路燈防水電源散熱設計要點
u 在保證散熱要求的前提下，盡量選用體積小、重量輕的散熱器；
u 安裝時，應盡量增大器件和散熱器的接觸面積和壓力，還要用硅脂涂在接觸面上，這樣做可使接觸熱阻降低。
u 散熱器表面應粗糙（與器件接觸面應有好的光潔度），以增加散熱片與其他導熱介質的接觸面積。
u發(fā)熱器件在布局時，盡量安排靠近外圍，這樣可以降低發(fā)熱器件跟外殼之間的熱阻，使熱量很快就通過電源的外殼散熱掉。
u 發(fā)熱器件要跟熱敏感器件之間留一定的空間，不要造成因為發(fā)熱器件影響是導致電源的壽命瓶頸。
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電壓浪涌是指電子系統(tǒng)額定工作電壓瞬時升高，其幅度達到額定工作電壓的幾倍～幾百倍。電壓浪涌可能引起通信系統(tǒng)的數據失真和丟失，甚至造成電子設備損壞。
產生電壓浪涌的原因有：雷擊、設備開關、靜電放電和線路故障。雷擊發(fā)生的頻率相對其它原因要少得多，但危害卻是最大的。
在建筑物、高架輸電線或通信電纜附近發(fā)生的靜電放電，通過地電位變化或電磁耦合引起的雷擊電壓浪涌，稱為間接雷擊。
例如一個距離數據電纜或建筑物100m的雷擊放電，可能在該數據電纜上感應6KV、3KA的電壓浪涌。
有報道顯示，廣東省每年因為遭遇雷擊而造成的直接經濟損失高達九十多億，故防雷設計需要引起我們高度重視
LED路燈電源防雷設計
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www.dianyuan.com 雷擊感應電壓浪涌的途徑，主要的耦合途徑有如下圖三種。
LED路燈電源防雷設計
電阻耦合電感耦合電容耦合
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為防止雷擊電流與雷電電磁脈沖產生的危害，一般需要進行三級防雷。
LED路燈電源防雷設計
Ø 第**防雷（防直擊雷）：
防止直接的傳導雷進入后級區(qū)域，要將上萬甚至幾十萬V的浪涌
電壓限制在2.5-3KV。
Ø **級防雷（防感應雷）：
進一步將通過第**的殘余浪涌電壓限制在1.5-2KV，第**防雷
與**級防雷電路實行等電位連接。
Ø 第三級防雷（防感應雷）：
最終保護設備的防護級，需要將殘余的浪涌電壓降低到1KV
以內，是浪涌的能量不至于破壞設備。
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電壓浪涌的模擬
按照IEC61000－4－5（GB/T17626.5）標準的要求，要能分別模擬在電源線上和通信線路上的雷擊浪涌試驗。由于線路的阻抗不一樣，浪涌在這兩種線路上的波形也不一樣，要分別模擬。
主要用于電源線路試驗的1.2/50μs（電壓波）和8/20μs（電流波）的綜合波發(fā)生器
對試驗發(fā)生器的基本性能要**：
開路電壓波：1.2/50μs；
短路電流波：8/20μs。
開路輸出電壓（峰值）：0.5kV～4kV
短路輸出電流（峰值）：0.25kA～2kA
發(fā)生器內阻：2Ω（可附加電阻10或40Ω,以便形成12或42Ω的發(fā)生器內阻）
浪涌輸出極性：正/負
浪涌移相范圍：0°～360°
最大重復率：至少每分鐘1次LED路燈電源防雷設計
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雷擊浪涌試驗波形 LED路燈電源防雷設計
在實際測試中，一般都是脈沖電壓與脈沖電流的組合波形出現進行實際測試
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www.dianyuan.com 雷擊浪涌的防護器件
LED路燈電源防雷設計
Ø金屬氧化物壓敏電阻
?壓敏電阻"是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路承受過壓時進行電壓嵌位，吸收多余的電流以保護敏感器件。英文名稱叫?Voltage Dependent Resistor?簡寫為?VDR?, 或者叫做?Varistor"。
壓敏電阻伏安特性
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LED路燈電源防雷設計 主要的性能參數為： 1.壓敏電壓： 2.最大連續(xù)電壓： 3.限制電壓： 4.額定功率： 5.最大能量： 6.通流容量（最大沖擊電流） 7.泄漏電流
特點：
可變阻的電壓范圍寬
能承受大的浪涌電流沖擊
擁有ns級別的快速反應能力
較低的泄漏電流
使用中無極性要求
擁有較小的封裝體積
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www.dianyuan.com LED路燈電源防雷設計
Ø氣體放電管
放電管的工作原理，是利用惰性氣體（氖或氫）在某個電壓時放電特性，來泄放其兩端浪涌電壓產生的強電流。 當外加電壓增大到超過氣體的絕緣強度時，兩極間的間隙將放電，將惰性氣體擊穿，并發(fā)出強光（電弧）；由原來的絕緣狀態(tài)轉化為導電狀態(tài)，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平。
符號實際產品
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LED路燈電源防雷設計 氣體放電管主要的性能參數為： 1.直流放電電壓：在上升陡度低于100V/s的電壓作用下，放電管開始放電 的平均電壓值稱為其直流放電電壓。 2．沖擊放電電壓：在具有規(guī)定上升陡度的暫態(tài)電壓脈沖作用下，放電管開始放電的電壓值稱為其沖擊放電電壓。 3．工頻耐受電流放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流稱為其工頻耐受電流。 4．沖擊耐受電流：將放電管通過規(guī)定波形和規(guī)定次數的脈沖電流，使其直流放電電壓和絕緣電阻不會發(fā)生明顯變化的最大值電流峰值稱為管子的沖擊耐受電流。 5．絕緣電阻（10^9Ω）和極間電容(1-5pF)。 氣體放電管的特點： 優(yōu)點：絕緣電阻很大，寄生電容很小，浪涌防護能力強，幾乎無漏電流。缺點：在于放電時延(即響應時間)較大，動作靈敏度不夠理想。 有可能存在續(xù)流現象。
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LED路燈電源防雷設計
Ø瞬態(tài)以及二極管
瞬態(tài)二極管（Transient Voltage Suppressor）簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。
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www.dianyuan.com LED路燈電源防雷設計
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LED路燈電源防雷設計
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www.dianyuan.com 單級PFC電路整流之后的防雷 LED路燈電源防雷設計
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Ø 防水防塵性能測試驗證
LED電源可靠性測試與驗證
防塵試驗箱 沖水試驗箱
淋雨試驗設備
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www.dianyuan.com LED電源可靠性測試與驗證
Ø 散熱性能測試驗證
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LED電源可靠性測試與驗證
Ø 防雷性能測與驗證
雷擊浪涌測試設備
