再談LED路燈防水電源的可靠性設(shè)計(jì)
電源網(wǎng)第五屆LED通用照明驅(qū)動(dòng)技術(shù)研討會(huì)
鄒超洋
2014.5
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關(guān)于大功率LED路燈防水電源的可靠性設(shè)計(jì)，一直以來(lái)是廣大LED電源工程師關(guān)注的話題，在2012年第三屆的LED專題研討會(huì)上，我跟大家一起在理念設(shè)計(jì)與理論設(shè)計(jì)上有做過(guò)簡(jiǎn)單的探討，那么本次會(huì)議我要跟大家一起來(lái)探討下大功率LED路燈防水電源可靠性設(shè)計(jì)所面臨的一些實(shí)際問(wèn)題。
前 言
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內(nèi)容提要
防水設(shè)計(jì)
散熱設(shè)計(jì)
防雷設(shè)計(jì)
LED防水電源可靠性測(cè)試與驗(yàn)證
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LED路燈電源防水設(shè)計(jì)的意義
設(shè)備和工程材料腐蝕過(guò)程中, 水是主要的介質(zhì). 當(dāng)大氣中RH＜20 %，幾乎所有腐蝕現(xiàn)象都停止. 因此防潮（水）是三防中最重要的一環(huán).
當(dāng)RH達(dá)到60 % 時(shí), 設(shè)備表面層會(huì)形成 2~4 個(gè)水分子厚的水膜.當(dāng)有污染物溶入時(shí), 會(huì)有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生.
當(dāng)RH達(dá)到 80 % 時(shí), 會(huì)有 5~20個(gè)分子厚的水膜, 各種分子都可自由活動(dòng)，當(dāng)有碳元素存在,可能產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng).
水分子很小，足以能穿透某些高分子材料的網(wǎng)狀分子間隙而進(jìn)入內(nèi)部或通過(guò)涂層的針孔而達(dá)到底層金屬產(chǎn)生腐蝕。
防水很重要，忽略后果很嚴(yán)重
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防塵等級(jí) ( 第一個(gè) X 表示 )
0 ：沒(méi)有保護(hù)
1 ：可抵御超過(guò)50mm的固體物質(zhì)侵入
2 ：可抵御直徑超過(guò)12mm直徑、長(zhǎng)度不超過(guò)8mm的固體物質(zhì)。
3 ：可抵御直徑超過(guò)2.5mm的固體物質(zhì)。
4 ：可抵御直徑超過(guò)1.0mm的固體物質(zhì)。
5 ：防塵，有限進(jìn)入（無(wú)有害堆積物）。
6 ：完全防止任何粉塵進(jìn)入
防塵防水的標(biāo)準(zhǔn)與要求
依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)IEC529/EN60529/GB4208
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防塵防水的標(biāo)準(zhǔn)與要求
防水等級(jí) ( **個(gè) X 表示 )
0 ：沒(méi)有保護(hù)
1 ：防止滴水侵入， 垂直滴下的水滴（如凝結(jié)水）不會(huì)造成有害影響
2 ： 傾斜15°時(shí)可防止滴水侵入 ，當(dāng)外殼傾斜到15度時(shí)，水滴滴入到外殼無(wú)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(wú)影響
4 ：防止飛濺的水侵入 ，液體由任何方向潑到外殼沒(méi)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(wú)任何傷害
6 ：防止大浪的侵入 ，可經(jīng)受來(lái)自任何方向的強(qiáng)力水柱噴射，允許有限的進(jìn)入。
7 ： 防止浸水時(shí)的水侵入，允許短暫放入0.15m—1m深的水中，時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)30分鐘。
8 ：防止沉沒(méi)時(shí)的水侵入 ，于一定壓力下長(zhǎng)時(shí)間浸水無(wú)影響
依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)IEC529/EN60529/GB4208
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電氣功能區(qū)
進(jìn)線端口的防水膠圈與線材有空隙，且容易老化，或與線材產(chǎn)生中毒現(xiàn)象
擋板與底殼的接觸處有縫隙，會(huì)產(chǎn)生漏膠，進(jìn)水等可靠性問(wèn)題
防水功能區(qū)
LED路燈電源防水設(shè)計(jì)
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膠水的種類與材質(zhì)，流動(dòng)性，粘度，比重，導(dǎo)熱率，絕緣強(qiáng)度，膨脹系數(shù)，環(huán)保性能，與不同材質(zhì)的線材兼容性，對(duì)EMC特性的影響等無(wú)不考驗(yàn)著防水防塵的設(shè)計(jì)
即使灌滿了硅膠還是會(huì)存在進(jìn)水的可能性
LED路燈電源防水設(shè)計(jì)
灌封高導(dǎo)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(nèi)部的導(dǎo)熱率，加強(qiáng)散熱
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防水防塵設(shè)計(jì)還要面對(duì)振動(dòng)測(cè)試，拉力測(cè)試，機(jī)械性能測(cè)試等挑戰(zhàn)
LED路燈電源防水設(shè)計(jì)
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采用三重防水防塵功能，以達(dá)到IP67的要求
LED路燈電源防水設(shè)計(jì)
①
③
②
三重防水功能
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Ø LED電源需要長(zhǎng)期滿負(fù)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(zhǎng)期滿載工作。
LED路燈電源散熱設(shè)計(jì)的必要性
Ø 光源本身的發(fā)熱量很大，如果散熱設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)將大量的熱通過(guò)熱傳導(dǎo)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(dòng)的上升。
Ø 隨著電源功率密度的不斷上升，要達(dá)到高可靠性必須小心處理熱，盡量使電源內(nèi)部各處達(dá)到熱平衡，防止熱累積效應(yīng)，否則效率再高的電源，其內(nèi)部的局部器件熱應(yīng)力都可能超標(biāo)。
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Ø LED電源散熱的特殊性
LED路燈電源散熱設(shè)計(jì)
l LED路燈電源本身需要有防水防塵等級(jí)達(dá)到IP67，其內(nèi)部一般都是通過(guò)灌封膠來(lái)防護(hù)，所以電源內(nèi)部的散熱方式主要是以熱傳導(dǎo)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(guò)外殼向周圍空間的熱輻射為主要途徑，故在設(shè)計(jì)的時(shí)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(shí)，要做好熱平衡設(shè)計(jì)，發(fā)熱器件在整體布局上需要結(jié)合散熱結(jié)構(gòu)，使發(fā)熱元器件均勻分布在整個(gè)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(shè)計(jì)
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LED路燈電源散熱設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)
Ø LED路燈防水電源散熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)
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(shí)，應(yīng)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(yīng)粗糙（與器件接觸面應(yīng)有好的光潔度），以增加散熱片與其他導(dǎo)熱介質(zhì)的接觸面積。
u發(fā)熱器件在布局時(shí)，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(guò)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?yàn)榘l(fā)熱器件影響是導(dǎo)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(shí)升高，其幅度達(dá)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(shù)據(jù)失真和丟失，甚至造成電子設(shè)備損壞。
產(chǎn)生電壓浪涌的原因有：雷擊、設(shè)備開關(guān)、靜電放電和線路故障。雷擊發(fā)生的頻率相對(duì)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(guò)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(gè)距離數(shù)據(jù)電纜或建筑物100m的雷擊放電，可能在該數(shù)據(jù)電纜上感應(yīng)6KV、3KA的電壓浪涌。
有報(bào)道顯示，廣東省每年因?yàn)樵庥隼讚舳斐傻闹苯咏?jīng)濟(jì)損失高達(dá)九十多億，故防雷設(shè)計(jì)需要引起我們高度重視
LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
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www.dianyuan.com 雷擊感應(yīng)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(shè)計(jì)
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(chǎn)生的危害，一般需要進(jìn)行三級(jí)防雷。
LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
Ø 第**防雷（防直擊雷）：
防止直接的傳導(dǎo)雷進(jìn)入后級(jí)區(qū)域，要將上萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)V的浪涌
電壓限制在2.5-3KV。
Ø **級(jí)防雷（防感應(yīng)雷）：
進(jìn)一步將通過(guò)第**的殘余浪涌電壓限制在1.5-2KV，第**防雷
與**級(jí)防雷電路實(shí)行等電位連接。
Ø 第三級(jí)防雷（防感應(yīng)雷）：
最終保護(hù)設(shè)備的防護(hù)級(jí)，需要將殘余的浪涌電壓降低到1KV
以內(nèi)，是浪涌的能量不至于破壞設(shè)備。
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電壓浪涌的模擬
按照IEC61000－4－5（GB/T17626.5）標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)。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(yàn)的1.2/50μs（電壓波）和8/20μs（電流波）的綜合波發(fā)生器
對(duì)試驗(yàn)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(nèi)阻：2Ω（可附加電阻10或40Ω,以便形成12或42Ω的發(fā)生器內(nèi)阻）
浪涌輸出極性：正/負(fù)
浪涌移相范圍：0°～360°
最大重復(fù)率：至少每分鐘1次LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
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雷擊浪涌試驗(yàn)波形 LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
在實(shí)際測(cè)試中，一般都是脈沖電壓與脈沖電流的組合波形出現(xiàn)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試
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www.dianyuan.com 雷擊浪涌的防護(hù)器件
LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
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(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓嵌位，吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件。英文名稱叫?Voltage Dependent Resistor?簡(jiǎn)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(shè)計(jì) 主要的性能參數(shù)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(diǎn)：
可變阻的電壓范圍寬
能承受大的浪涌電流沖擊
擁有ns級(jí)別的快速反應(yīng)能力
較低的泄漏電流
使用中無(wú)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(shè)計(jì)
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(gè)電壓時(shí)放電特性，來(lái)泄放其兩端浪涌電壓產(chǎn)生的強(qiáng)電流。 當(dāng)外加電壓增大到超過(guò)氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，兩極間的間隙將放電，將惰性氣體擊穿，并發(fā)出強(qiáng)光（電弧）；由原來(lái)的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，導(dǎo)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(hào)實(shí)際產(chǎn)品
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LED路燈電源防雷設(shè)計(jì) 氣體放電管主要的性能參數(shù)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(guò)工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無(wú)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(guò)規(guī)定波形和規(guī)定次數(shù)的脈沖電流，使其直流放電電壓和絕緣電阻不會(huì)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(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：絕緣電阻很大，寄生電容很小，浪涌防護(hù)能力強(qiáng)，幾乎無(wú)漏電流。缺點(diǎn)：在于放電時(shí)延(即響應(yīng)時(shí)間)較大，動(dòng)作靈敏度不夠理想。 有可能存在續(xù)流現(xiàn)象。
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LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
Ø瞬態(tài)以及二極管
瞬態(tài)二極管（Transient Voltage Suppressor）簡(jiǎn)稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)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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LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
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www.dianyuan.com 單級(jí)PFC電路整流之后的防雷 LED路燈電源防雷設(shè)計(jì)
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Ø 防水防塵性能測(cè)試驗(yàn)證
LED電源可靠性測(cè)試與驗(yàn)證
防塵試驗(yàn)箱 沖水試驗(yàn)箱
淋雨試驗(yàn)設(shè)備
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Ø 散熱性能測(cè)試驗(yàn)證
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LED電源可靠性測(cè)試與驗(yàn)證
Ø 防雷性能測(cè)與驗(yàn)證
雷擊浪涌測(cè)試設(shè)備
