CN108804777B - 一种基于热耦合作用的led照明系统寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，属于LED产品测试的技术领域。本发明建立了基于热耦合作用下改进的LED照明系统等效热模型，采用有限元仿真方法来获取非线性参数，最后由LED系统等效热模型和参数曲线获取系统中不同器件的温度信息，并根据不同器件的寿命模型提供了一种基于实际运行环境下的LED照明系统寿命准确预测方法。该方法充分考虑LED光源和LED驱动器热耦合作用，有利于指导LED照明系统的散热及系统设计，提高LED照明产品的寿命和可靠性。

Description

一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法

技术领域

本发明公开了一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，属于LED 产品预测的技术领域。

背景技术

相比于传统光源，LED具有发光效率高、寿命长等优点，已广泛应用于室内和室外照明场合。目前，市场上的LED产品寿命通常标称为25000-50000小时，然而，用户在使用过程中发现很多LED产品在标称寿命前失效。LED光源和LED驱动器中任一部分发生故障都会导致整个LED照明系统故障。

造成LED产品实际工作时间与标称时间差异的原因有：(1)失效标准不同，寿命定义不明确，对于单个LED或者电容器而言，失效时间L_p表示光通量或电容降为的初始值p％，对于一批LED光源和LED驱动器而言，失效时间表示在B_X工作时间里有X％的失效率，即X％产品的输出光通量或电容下降到初始值的p％； (2)实际运行环境不同，按照工业标准IESLM-80，获取LED失效时间L_p的加速试验是在特定的环境下进行的，电容器的测试也是在恒定的温度下进行的，而实际运行中工作环境和条件与LED产品的规格说明中不同，恶劣工况下甚至严重超过规格；(3)LED光源和LED驱动器之间的不兼容，在LED照明系统中， LED驱动器是最薄弱的部分，但是LED光源的寿命常常被误认为是整个LED系统的寿命。

目前，很多学者对LED光源和LED驱动器单独进行寿命预测和热设计优化，也有学者提出了基于LED驱动器元件之间的热耦合作用对LED驱动器可靠性与寿命的影响，但是对于LED光源和LED驱动器之间的系统级热耦合作用对LED 照明系统的可靠性研究与寿命预测的影响尚未可知，而对于封装的LED照明系统，LED光源大部分光能转化为热量散出，LED驱动器也存在损耗转化为热量散出的情形，在密闭狭小的空间内，两者散热相互耦合，影响各自寿命，因此，一种基于系统级热耦合作用的LED照明系统寿命预测有利于指导LED散热和系统设计，提高LED照明产品的寿命和可靠性，真正实现绿色照明。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，考虑了LED光源和LED驱动器之间的系统级热耦合作用，实现了实际运行环境下LED照明系统寿命的准确预测，解决了在实际运行环境中LED照明系统寿命预测不准确的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

1、建立考虑LED光源与LED驱动器之间热耦合作用下的LED照明系统等效热模型。由于LED光源中大部分电能转化为热能，LED驱动器也存在损耗转化为热能散出的情形，在密闭狭小的安装空间内，LED光源与驱动器散热交互耦合，影响各自寿命，故建立的LED照明系统等效热模型包括LED光源及LED 驱动器中所有的器件。根据传热理论，与空气接触器件的热阻包括三种形式，即，传导、对流、辐射。在建立的LED照明系统的等效热模型中，Θ_j-c、Θ_c-hs、Θ_{hs_cond}分别为LED光源中LED芯片p-n结到衬底、衬底到散热器、散热器到其表面的传导热阻，Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}分别为散热器与空气之间的对流、辐射热阻；T_j-LED、 T_c-LED、T_hs、T_{hs_surf}分别为LED结温、LED衬底温度、散热器温度、散热器表面温度；P_heat1表示单个LED芯片散热功率。LED驱动器中各器件按照同样的方法建立等效热模型。由于传导热阻只与材料有关，而对流、辐射热阻受散热表面、流体性质和流体速度等多种因素的影响，故传导热阻是与温度无关的常数，而对流和辐射热阻为非线性参数。

2、获取上述模型中LED光源散热器的非线性热阻参数Θ_{hs_conv}和Θ_{hs_rad}。具体方法为：①在有辐射的自然对流条件下将工作的LED驱动器靠近LED光源和散热器，此时，LED光源与LED驱动器之间有热的耦合，通过ICEPAK ANSYS 软件对基于热耦合作用下的LED照明系统进行FEM(Finite Element Method,有限元)仿真，此时T_{hs_surf}＝T_A+P_heat×(Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad})，获取在恒定驱动电流I_F、环境温度T_A下有辐射时散热器与空气之间的对流热阻Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad}，式中， T_{hs_surf}表示散热器表面温度，T_A表示散热器周围环境温度，P_heat表示LED光源的总热量损耗；②在无辐射的相同条件下对基于热耦合作用下的LED照明系统重复进行FEM仿真，此时T_{hs_surf}＝T_A+P_heat×Θ_{hs_conv}，获取无辐射时的散热器与空气之间的对流热阻Θ_{hs_conv}，将计算出来的对流热阻Θ_{hs_conv}代入第一种仿真结果Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad}，计算得到辐射热阻Θ_{hs_rad}；③根据实际运行环境，在不同的驱动电流I_F和环境温度T_A下，对基于热耦合作用下LED照明系统重复进行FEM 仿真，获取足够多不同工作环境下的非线性热阻参数Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}，建立Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}与环境温度T_A、驱动电流I_F之间的三维曲线。

3、获取上述模型中LED驱动器内的非线性热阻参数。在LED驱动器中，电解电容器是最脆弱的器件，故在LED驱动器中，主要预测电解电容器的寿命。根据Arrhenius定律，温度每升高10℃，电容器寿命缩减一半，所以电解电容器寿命与其工作的表面温度有关，而根据制造商提供的用户手册很难计算电解电容器内部的等效热阻和热量损耗，因此根据上述模型获取电解电容器表面温度 T_{CAP_surf}十分困难。本发明忽略电解电容器自身损耗，建立电解电容器与散热器之间的联系，对上述系统热模型做出了改进。改进的热模型中，Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}分别表示电解电容器与散热器之间的对流、辐射热阻。获取LED驱动器中主要非线性热阻参数Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}同获取LED光源中非线性参数Θ_{hs_conv}和Θ_{hs_rad}方法一致。

4、预测实际运行环境下LED照明系统的寿命。根据上述获取的非线性热阻参数Θ_{hs_conv}和Θ_{hs_rad}的三维曲线及散热器和空气之间热阻与传导、对流、辐射热阻等式关系Θ_hs-a＝Θ_{hs_cond}+Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad}，可得到实际运行环境下散热器与空气之间的热阻Θ_hs-a，代入LED光源寿命模型中，获取实际运行环境下LED 光源的寿命L_LED。根据获取的非线性热阻参数Θ_{hs-CAP_conv}和Θ_{hs-CAP_rad}三维曲线及T_{CAP_surf}＝T_{hs_surf}+P_heat×(Θ_{hs-CAP_conv}||Θ_{hs-CAP_rad})，得到实际运行环境下电解电容器表面温度T_{CAP_surf}，代入电解电容器寿命模型，计算电解电容器寿命L_CAP。根据电子器件的可靠性模型R(t)＝e^-λt，式中，λ为失效率，t表示器件寿命。对于给定的可靠度R_LED和R_CAP，将上述得到的LED光源和电解电容器寿命L_LED和L_CAP分别代入各自可靠性模型

和

通过计算得到LED光源和电解电容器的失效率λ_LED和λ_CAP，于是LED照明系统的可靠性

t为LED照明系统的寿命。换句话说，对于给定可靠度的LED照明系统，通过上式计算可以得到基于热耦合作用下 LED照明系统的寿命。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)根据传热理论，建立考虑LED光源与LED驱动器热耦合作用下的LED 照明系统等效热模型，从模型级提高系统寿命预测的准确性；

(2)提出采用FEM仿真来获取系统等效热模型中的非线性热阻参数的方法，并分别建立非线性热阻参数受驱动电流和环境温度影响的三维曲线，便于得到系统中各器件在实际运行环境下的工作温度，从而准确预测各器件真实的寿命；

(3)针对系统中存在多个不同寿命的器件，提供了一种系统级寿命预测方法，为今后LED照明系统的设计和寿命预测提供了重要依据。

附图说明

图1为以散热器为例的三种传热机制下的等效热电路。

图2为考虑热耦合作用的LED照明系统等效热模型。

图3为考虑热耦合作用的LED照明系统改进等效热模型。

图4为LED照明系统的FEM仿真结果，其中为光源部分温度分布图。

图5为LED照明系统的FEM仿真结果，其中为整个系统温度剖面图。

图6为非线性热阻参数Θ_{hs_conv}与驱动电流I_F和环境温度T_A的三维曲线图。

图7为非线性热阻参数Θ_hs-rad与驱动电流I_F和环境温度T_A的三维曲线图。

图8为非线性热阻参数Θ_{hs-CAP_conv}与驱动电流I_F和环境温度T_A的三维曲线图。

图9为非线性热阻参数Θ_{hs-CAP_rad}与驱动电流I_F和环境温度T_A的三维曲线图。

图10为实际运行环境下考虑热耦合/不考虑热耦合作用下LED光源寿命与散热器热阻Θ_hs-a关系曲线，工作环境为丹麦奥尔堡市。

图11为实际运行环境下考虑热耦合/不考虑热耦合作用下LED光源寿命与散热器热阻Θ_hs-a关系曲线，工作环境为新加坡。

图12为实际运行环境下考虑热耦合/不考虑热耦合作用下LED驱动器中电解电容表面温度曲线，工作环境为丹麦奥尔堡市。

图13为实际运行环境下考虑热耦合/不考虑热耦合作用下LED驱动器中电解电容表面温度曲线，工作环境为新加坡。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

根据传热理论中热功率与温度之间的关系式：

式中，

分别表示传导、对流、辐射热功率；k是材料的传导系数，单位为W/m·℃，且k表示材料传导热量的能力，是与温度无关的常数；h 是对流换热系数，单位为W/m²·℃、ε是无单位的表面辐射系数，h和ε受器件的几何形状、流体的速度、温度等因素影响；A、A_S分别为传导层的面积、对流或散热的表面积；Δx是传导层的厚度；σ是玻尔兹曼常数，值为 5.67×10^-8W/m²·K⁴；ΔT、T_surf、T_A分别为传导层之间的温差，器件表面温度、全局环境温度。对于与空气直接接触的器件，其热阻值包括传导、对流、辐射三种形式，且传导热阻是与温度无关的常数，对流、辐射热阻是与多种因素有关的非线性热阻参数。图1为散热器与空气之间的等效热模型，且有Θ_hs-a＝Θ_{hs_cond}+Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad}。

图2为基于热耦合作用下LED照明系统等效热模型。由于LED光源大部分电能转化为热能，在LED驱动器中也存在损耗转化为热能散出，在密闭狭小的安装空间内，LED光源与驱动器散热交互耦合，影响各自寿命，故建立的LED 照明系统等效热模型包括LED光源及LED驱动器中所有的器件。模型中，Θ_j-c、Θ_c-hs分别表示LED芯片的p-n结与衬底、衬底与散热器之间的传导热阻，Θ_{hs_cond}、Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}分别表示散热器与空气之间的传导、对流、辐射热阻，Θ_{CAP_cond}、Θ_{CAP_conv}、Θ_{CAP_rad}分别表示电解电容器与空气之间的传导、对流、辐射热阻，Θ_{MOS_cond}、Θ_{MOS_conv}、Θ_{MOS_rad}分别表示MOSFET与空气之间的传导、对流、辐射热阻，Θ_{D_cond}、Θ_{D_conv}、Θ_{D_rad}分别表示二极管与空气之间的传导、对流、辐射热阻；T_{J_LED}、T_{c_LED}、T_hs、T_{hs_surf}、T_A分别表示LED结温、LED衬底温度、散热器温度、散热器表面温度、环境温度，T_{J_MOS}、T_{J_D}、T_{J_CAP}分别表示MOSFET、二极管、电解电容器内部温度，T_{c_MOS}、T_{c_D}、T_{c_CAP}分别表示MOSFET衬底、二极管衬底、电解电容器衬底的温度，T_{MOS_surf}、T_{D_surf}、T_{CAP_surf}分别表示MOSFET、二极管、电解电容器表面温度，P_heat1表示单个LED光源的热功率。

由于电解电容器是LED驱动器内最脆弱的器件，根据Arrhenius定律，温度每升高10℃，电容器寿命缩减一半，而根据制造商提供的用户手册很难获取电解电容器内部的等效热阻和热功率，故根据上述模型很难获取电解电容器表面温度，为了准确获取实际运行环境下电解电容器表面温度，建立散热器与电解电容器之间的联系，改进上述等效热模型，如图3所示。只要获取参数Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}，根据T_{CAP_surf}＝T_{hs_surf}-P_heat×(Θ_{hs-CAP_conv}||Θ_{hs-CAP_rad})就能获取实际运行环境下电解电容器表面温度。

由于对流、辐射系数h、ε与器件的几何形状、流体速度、流体性质、温度等多种因素有关，故对流热阻Θ_{hs_conv}、Θ_{hs-CAP_conv}和辐射热阻Θ_{hs_rad}、Θ_{hs-CAP_rad}均为非线性参数，本发明提供了一种采用FEM仿真方法获取非线性参数Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}、Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}的方法。图4和图5为驱动电流I_F＝0.7A，环境温度T_A＝25℃基于热耦合作用下LED照明系统的FEM仿真结果。图6、图7、图8和图9分别为Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}、Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}与驱动电流I_F、环境温度T_A之间的三维曲线。

具体过程为：

1、在有辐射的自然对流条件下将工作的LED驱动器靠近LED光源和散热器，通过ANSYS软件对基于热耦合作用下的LED照明系统进行FEM仿真，结合公式：

获取在恒定驱动电流I_F、环境温度T_A下有辐射时散热器与空气之间的对流热阻Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad}，结合公式

获取在恒定驱动电流I_F、环境温度T_A下散热器与电解电容器之间的对流热阻Θ_{hs-CAP_conv}||Θ_{hs-CAP_rad}。

2、在无辐射的相同条件下重复进行FEM仿真，结合公式

和

获取无辐射时的散热器与空气之间的对流热阻Θ_{hs_conv}、散热器与电解电容器之间的对流热阻Θ_{hs-CAP_conv}，通过计算得到辐射热阻Θ_{hs_rad}、Θ_{hs-CAP_rad}。

3、根据实际运行环境，在不同的驱动电流I_F、环境温度T_A下对基于热耦合作用下的LED照明系统重复进行FEM仿真，获取多组不同工作环境下的非线性热阻参数Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}、Θ_{hs-CAP_conv}和Θ_{hs-CAP_rad}，建立Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}、Θ_{hs-CAP_conv}和Θ_{hs-CAP_rad}与驱动电流I_F、环境温度T_A之间的三维曲线。

根据实际选用的LED型号，确定LED光源在实际运行环境下的寿命。图 10和图11为丹麦奥尔堡市和新加坡两地在L₇₀B₁₀标准下LED光源寿命与散热器热阻Θ_hs-a之间的关系曲线，实验中的热阻Θ_hs-a＝2.936Ω，两地考虑热耦合/不考虑热耦合作用下对应的LED光源的寿命分别为65000/70000h和46500/49500h。图10(或图11)可以验证对于相同的散热器，考虑热耦合作用时LED光源的寿命值比不考虑热耦合作用时略低，故热耦合作用对LED光源寿命有一些影响，但影响不大。

根据获取的非线性参数Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}三维曲线及公式 T_{CAP_surf}＝T_{hs_surf}-P_heat×(Θ_{hs-CAP_conv}||Θ_{hs-CAP_rad})获取一年内电解电容器表面温度 T_{CAP_surf}曲线，图12和图13分别为丹麦奥尔堡市/新加坡运行环境下一年内考虑 /不考虑热耦合作用时LED驱动器内电解电容器表面温度曲线。图12(或图13) 可以验证基于热耦合作用下电解电容器表面温度比不考虑热耦合作用时高。实验中选用63V/390uF的电解电容器，采用CHEMI-CON提供的寿命模型：

寿命基准L₀为5000小时，额定纹波电流I_x为1.9A，实际驱动电流0.7A，纹波比为42％，最高额定工作温度T₀为105℃，ΔT₀为5℃，将实际环境下获取的电解电容器表面温度代入(4)式电容器寿命模型中，得到在不同温度应力水平

下的电容器寿命L_i，进而计算电容器每年消耗的寿命CL：

k表示一年内电容器周围环境温度应力总数，t_i表示电容器在温度

下累计工作时间，代入电容器的寿命预测公式：

可以计算得到在丹麦奥尔堡市，LED驱动器内电解电容器考虑热耦合作用与不考虑热耦合作用下寿命分别为2733000小时和1127000小时，在新加坡，LED 驱动器内电解电容器考虑热耦合作用与不考虑热耦合作用下寿命分别为877000 小时和361000小时，如表1所示，从而可以验证热耦合作用对电解电容器寿命有很大影响。

表1丹麦奥尔堡市和新加坡工作环境中考虑热耦合/不考虑热耦合作用下LED驱动器中电解电容寿命

电子器件的可靠性模型为R(t)＝e^-λt，对于给定的可靠度，本实验中R_LED＝0.9，R_CAP＝0.9，将基于热耦合作用下LED光源寿命L_LED＝46500小时和电解电容器的寿命L_CAP＝361000小时，分别代入各自可靠性模型

和

计算得到各自的失效率λ_LED和λ_CAP，因此，基于热耦合作用下 LED照明系统可靠度为：

t 为LED照明系统寿命。若给定LED照明系统可靠度R_sys，通过上式可以预测基于热耦合作用下LED照明系统的寿命。

Claims (4)

1.一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，其特征在于，

建立基于LED光源与LED驱动器之间热耦合作用下的LED照明系统等效热模型，所述LED照明系统等效热模型包括LED光源等效热模型和LED驱动器热等效模型，所述LED光源等效模型为LED结温在LED芯片p-n结到衬底传导热阻上产生的热功率，所述LED驱动器热等效模型为各功率器件内部温度在各自内部材料传导热阻上产生的热功率，LED光源等效模型包括自身光源等效电路和其必需的LED光源散热器热等效电路，LED驱动器热等效模型包含但不限于电解电容器热等效电路，散热器周围环境温度随着散热器热等效电路在热耦合作用下产生的热量以及LED驱动器热等效模型产生的热量而变化，所述电解电容器热等效模型通过散热器表面温度在散热器与电解电容器之间的对流热阻、辐射热阻上产生的热功率确定电解电容器表面温度；

在恒定驱动电流、环境温度下，对LED照明系统等效热模型进行FEM仿真以获取有辐射时散热器与空气之间的对流热阻，在相同条件下对LED照明系统等效热模型进行FEM仿真以获取无辐射时散热器与空气之间的对流热阻，由有辐射时散热器与空气之间的对流热阻和无辐射时散热器与空气之间的对流热阻计算散热器与空气之间的辐射热阻；

在不同的驱动电流和环境温度下对LED照明系统等效热模型重复进行FEM仿真以获取不同工作环境下散热器与空气之间的对流热阻、辐射热阻，建立散热器与空气之间的对流热阻、辐射热阻与环境温度、驱动电流之间的三维曲线；

根据散热器与空气之间的对流热阻、辐射热阻与环境温度、驱动电流之间的三维曲线并结合散热器热等效模型确定实际运行环境下散热器与空气之间的热阻，将实际运行环境下散热器与空气之间的热阻代入LED光源寿命模型以获取实际运行环境下LED光源的寿命；

根据散热器与电解电容器之间的对流热阻、辐射热阻与环境温度、驱动电流之间的三维曲线并结合电解电容器热等效模型确定实际运行环境下电解电容器表面温度，将实际运行环境下电解电容器表面温度代入电解电容器寿命模型以确定电解电容器寿命；

由实际运行环境下LED光源的寿命及LED光源可靠性模型确定LED光源失效率，由电解电容器寿命及可靠性模型确定电解电容器失效率，再由LED光源失效率和电解电容器失效率以及LED照明系统可靠性模型确定LED照明系统的寿命，所述LED照明系统可靠性模型为：

R_sys(t)、R_LED(t)、R_CAP(t)分别为LED照明系统、LED光源、电解电容器可靠性模型，λ_LED、λ_CAP分别为LED光源和电解电容器的失效率，t为LED照明系统的寿命。

2.根据权利要求1所述一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，其特征在于，在获取有辐射时散热器与空气之间的对流热阻的过程中，散热器表面温度T_{hs_surf}为：T_{hs_surf}＝T_A+P_heat×(Θ_{hs_conv}||Θ_{hs_rad})，T_A为环境温度，P_heat为LED光源的总热量损耗，Θ_{hs_conv}、Θ_{hs_rad}分别为散热器与空气之间的对流热阻、辐射热阻。

3.根据权利要求2所述一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，其特征在于，在获取无辐射时散热器与空气之间的对流热阻的过程中，散热器表面温度T_{hs_surf}为：T_{hs_surf}＝T_A+P_heat×Θ_{hs_conv}。

4.根据权利要求1所述一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法，其特征在于，所述电解电容器表面温度T_{CAP_surf}由表达式：T_{CAP_surf}＝T_{hs_surf}+P_heat×(Θ_{hs-CAP_conv}||Θ_{hs-CAP_rad})确定，T_{hs_surf}为散热器表面温度，P_heat为LED光源的总热量损耗，Θ_{hs-CAP_conv}、Θ_{hs-CAP_rad}分别为散热器与电解电容器之间的对流热阻、辐射热阻。

Images