一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热耦合作用的LED照明系统寿命预测方法
本专利技术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

技术介绍
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Lp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BX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Lp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。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
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。本专利技术为实现上述专利技术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，Θj-c、Θc-hs、Θhs_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，Θhs_conv、Θhs_rad分别为散热器与空气之间的对流、辐射热阻；Tj-LED、Tc-LED、Ths、Ths_surf分别为LED结温、LED衬底温度、散热器温度、散热器表面温度；Pheat1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Θhs_conv和Θhs_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ICEPAKANSYS软件对基于热耦合作用下的LED照明系统进行FEM(FiniteElementMethod,有限元)仿真，此时Ths_surf＝TA+Pheat×(Θhs_conv||Θhs_rad)，获取在恒定驱动电流IF、环境温度TA下有辐射时散热器与空气之间的对流热阻Θhs_conv||Θhs_rad，式中，Ths_surf表示散热器表面温度，TA表示散热器周围环境温度，Pheat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Ths_surf＝TA+Pheat×Θhs_conv，获取无辐射时的散热器与空气之间的对流热阻Θhs_conv，将计算出来的对流热阻Θhs_conv代入第一种仿真结果Θhs_conv||Θhs_rad，计算得到辐射热阻Θhs_rad；③根据实际运行环境，在不同的驱动电流IF和环境温度TA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Θhs_conv、Θhs_rad，建立Θhs_conv、Θhs_rad与环境温度TA、驱动电流IF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TCAP_surf十分困难。本专利技术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，Θhs-CAP_conv、Θhs-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Θhs-CAP_conv、Θhs-CAP_rad同获取LED光源中非线性参数Θhs_conv和Θhs_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Θhs_conv和Θhs_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Θhs-a＝Θhs_cond+Θhs_conv||Θhs_rad，可得到实际运行环境下散热器与空气之间的热阻Θhs-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LLED。根据获取的非线性热阻参数Θhs-CAP_conv和Θhs-CAP_rad三维曲线及TCAP_surf＝Ths_surf+Pheat×(Θhs-CAP_conv||Θhs-CAP_rad)，得到实际运行环境下电解电容器表面温度TCAP_surf，代入电解电容器寿命模型，计算电解电容器寿命LCAP。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RLED和RCAP，将上述得到的LED光源和电解电容器寿命LLED和LCAP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λLED和λCAP，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。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲小慧，刘青，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32