LED球泡燈市場(chǎng)分析與各類球泡燈電源方案對(duì)比

        進(jìn)入2011年以后，LED逐漸向室內(nèi)照明進(jìn)軍，這也意味著開始向民用家庭進(jìn)軍。一方面這是一個(gè)大喜事，因?yàn)槊裼玫氖袌?chǎng)是非常之大；另一方面也是一個(gè)極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，因?yàn)槊裼檬袌?chǎng)要求成本特別低，可靠性特別高?，F(xiàn)在離開完全滿足民用市場(chǎng)的要求還很遠(yuǎn)，可以說還有很長(zhǎng)的路要走。

        最普通的民用燈就是白熾燈，也就是我們普通用的燈泡。所以如果LED要取代白熾燈泡，就要開發(fā)出一種無論在燈頭形狀還是外型上都和白熾燈泡類似的燈泡，這就是我們通常稱為LED球泡燈?？梢韵胂?，球泡燈的市場(chǎng)是十分巨大的。

一．對(duì)LED球泡燈的要求

因?yàn)橐鎿Q白熾燈，所以至少要有以下幾方面的要求：

1.亮度要相當(dāng) 白熾燈通常只講瓦數(shù)而不講流明數(shù)。LED雖然也可以只講瓦數(shù)，但是由于LED的光效還在不斷發(fā)展，只說瓦數(shù)并不能代表其流明數(shù)。白熾燈最常用的瓦數(shù)有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要講流明數(shù)，那么可以用白熾燈的發(fā)光效率來計(jì)算。白熾燈的發(fā)光效率在7.5-12lm/W。瓦數(shù)越大效率越高。所以上面列出幾種瓦數(shù)的白熾燈的相對(duì)流明數(shù)可以列表如下：

 

        如果采用LED來取代，也可以得出相應(yīng)的瓦數(shù)。但是因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率在不斷攀升，所以很難給出準(zhǔn)確的數(shù)字。假定采用目前通常的LED1，其光效為100lm/W，假如采用最高光效的LED2，其光效為130lm/W（暖白的光效會(huì)低于此值）。就可以得出對(duì)這兩種光效LED相應(yīng)的瓦數(shù)來。但是因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定為85%，另外因?yàn)長(zhǎng)ED不可能采用透明泡殼，而只能采用乳白泡殼。其透光率大約為85%。二者相乘等于0.72。.考慮以上因素以后就可以得出和白熾燈相當(dāng)?shù)耐邤?shù)來。由表中可見，LED2在同樣亮度時(shí)大約可以節(jié)省10倍的功率。有一點(diǎn)需要特別說明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來說，它還不可能做到10瓦以上，也就是說目前還只有可以取代60-75W白熾燈的LED球泡燈。當(dāng)然PAR燈就另當(dāng)別論了（后面將討論）。
2.外形要類似 通常白熾燈為梨形的，所以LED球泡燈也應(yīng)當(dāng)為梨形的。這點(diǎn)是很容易做到。但是白熾燈為全玻璃制品，LED因?yàn)橐峋秃茈y采用全玻璃的結(jié)構(gòu)。下面會(huì)詳細(xì)討論LED球泡燈的結(jié)構(gòu)。
3.體積大小要相當(dāng)，因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源和散熱器，所以這是非常難做到的
4.重量要相當(dāng)，同樣因?yàn)長(zhǎng)ED需要恒流源和散熱器，所以這也是非常難做到的
5.燈頭要相同 中國過去大都是采用卡口式，改革開放以后大都改用和美國一樣的螺口式。就是美國的E26或E27。這點(diǎn)也還是很容易做到的
6.電源要相同，都應(yīng)該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒問題的

二．LED球泡燈的結(jié)構(gòu)
LED球泡燈可以分為外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們先來看一下它的外部結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的LED球泡燈的外形如圖1所示（這是作者最近在美國硅谷Fry’s電子商店上看到的最大功率的LED球泡燈，價(jià)$40）：


                                                圖1. LED球泡燈的外形

這是一個(gè)5W的LED球泡燈，全長(zhǎng)13cm，散熱器長(zhǎng)5cm，直徑4.5cm，泡殼長(zhǎng)5.2cm，直徑5.5cm，重量114克。它大約可以取代45W的白熾燈。其外部結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)部分，一個(gè)是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內(nèi)部結(jié)構(gòu)則主要是2部分，一是恒流驅(qū)動(dòng)電源，二是LED燈板（包括鋁基板和LED）在內(nèi)（圖2）。

                                             圖2. 球泡燈的構(gòu)成

下面分別來討論這幾個(gè)部分的構(gòu)成。

三．球泡燈的電源
        因?yàn)榍蚺轃舳际怯檬须姽╇?，所以電源也必須是市電交流輸入的，英文稱為Off-Line，有把中文譯成離線式是很不恰當(dāng)?shù)?，因?yàn)橛⑽脑馐荈rom Line的意思，應(yīng)該譯成在線，但又會(huì)和網(wǎng)絡(luò)的在線相混，所以不如就直接稱為市電式電源。
球泡燈的市電式電源基本指標(biāo)如下：

1.電源基本類型：主要分隔離式和非隔離式兩種，那是指負(fù)載端是否與火線220V隔離。一般說，非隔離因?yàn)椴恍枰綦x變壓器，所以成本低，但要求鋁基板耐壓高，否則散熱器就有可能帶電。所以比較不容易通過安規(guī)檢驗(yàn)。隔離式就比較安全，比較容易通過安規(guī)，但成本高。
2.電源輸出功率：因?yàn)榍蚺轃舻捏w積大小必須和玻殼的白熾燈相當(dāng)，所以散熱器大小有限，目前還不能超過9W。
3.電源效率：一般隔離式在80-85%左右，非隔離式在90%左右
4.電源功率因數(shù)（PF）：不加PF校正在0.5-0.6,加PF校正在0.9-0.99左右
5.體積大?。河捎谇蚺轃袅艚o電源的空間很小，所以體積的限制很嚴(yán)。

下面來介紹幾種典型的球泡燈電源。
3.1非隔離式電源
下面是一個(gè)采用美國安森美NCP1014的非隔離式電源原理圖（圖3）

圖3. 非隔離式電源原理圖

這個(gè)電源的基本指標(biāo)如下：

                                                   圖4. NCP1014LEDGT外形圖

        其實(shí)這個(gè)電源的核心就是一個(gè)恒流二極管NSI45025，以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實(shí)際上是一個(gè)有源式的功率因數(shù)校正（PFC），可以把它的功率因數(shù)提高到>0.9以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2是一個(gè)防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點(diǎn)是非隔離，所以220V會(huì)直接加到負(fù)載LED上。

其實(shí)假如不要求功率因數(shù)的話，那么采用恒流二極管(CRD)的電源方案可以做得很簡(jiǎn)單（圖5）。

    圖5. 最簡(jiǎn)單的采用恒流二極管的球泡燈電源

這種電源的功率因數(shù)大約在0.5-0.6之間。因?yàn)殡娐泛?jiǎn)單，所以體積可以做得很小，而且成本很低。

3.2隔離式電源
為了提高安全性，最好采用隔離式電源，這樣就多了一個(gè)隔離變壓器，增加了體積、成本，降低了效率。圖6是一個(gè)采用iWatt公司iW3610的反激式隔離電源電路圖。其實(shí)這個(gè)芯片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分類似。

   圖6. 采用iW3610 的隔離式電源的電路圖

其主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：

        這個(gè)電路還可以自動(dòng)檢測(cè)墻上有無可控硅調(diào)光器，如果有的話就可以調(diào)光，其調(diào)光范圍可以從2%調(diào)到100%。而且最后采用了PWM調(diào)光，調(diào)光頻率高達(dá)900Hz，因此避免了閃爍。另外由于采用了準(zhǔn)諧振控制使其總效率高達(dá)85%。它還有一個(gè)特點(diǎn)是采用變壓器初級(jí)反饋從而取消了光耦合器件。它的外形圖如圖7所示。其外形是專門為球泡燈而設(shè)計(jì)。

                              圖7. iW3610的演示板

四．球泡燈的散熱器

        球泡燈的LED通常焊接在一塊鋁基板（LED底板）上，這塊鋁基板再和一片圓形鋁散熱板固定，然后再把這塊鋁散熱板固定到散熱器外殼上去（見圖8）。

         圖8. LED底板如何固定到散熱器上去

        圖中的鋁散熱板上可以看出有精加工的痕跡。經(jīng)過精加工以后LED底板就可以直接固定上去，否則的話，二者之間會(huì)有氣隙，需要涂覆硅導(dǎo)熱膠以改善導(dǎo)熱。

        球泡燈由于體積的限制所以散熱是一個(gè)大問題。無論是哪種散熱器都是只能依靠對(duì)流和輻射兩種方法來把熱量散發(fā)到空氣中去，而這兩種散熱的能力都是和它的散熱的面積成正比。而球泡燈的散熱面積可以如下計(jì)算。假定其散熱器可以近似為一個(gè)截去尖頂?shù)膱A錐體。假定大圓錐體的高度為H，直徑為D，而截去的小圓錐體的高度為h，直徑為d。

                                 圖9 截頂?shù)膱A錐體

        圓錐體的側(cè)面積為πHD/2，所以截去一個(gè)尖頂以后的側(cè)面積是πHD/2-πhd/2=π(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么這個(gè)截頂以后的側(cè)面積就是48.7cm2，可近似為50平方厘米。而因?yàn)榇蠖鄶?shù)散熱器都開了溝槽，以增加其散熱面積，開溝槽以后所增加的散熱面積為溝槽深度g乘長(zhǎng)度l再乘2，再乘以溝槽數(shù)。假定溝槽平均深度為0.3cm，長(zhǎng)度為5cm，溝槽數(shù)為46個(gè)，那么開溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2?？傆?jì)散熱面積為188 cm2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每瓦所需要的散熱面積大約在35-60 cm2。具體要多大取決于環(huán)境溫度和允許的升溫。因?yàn)榍蚺轃舸蟛糠质怯迷谑覂?nèi)，環(huán)境溫度不是很高，所以可以采用35 cm2/W。所以188 cm2的散熱面積可以散大約5.3W左右。不過這只是極為粗略的估計(jì)，可以得到一個(gè)數(shù)量級(jí)的概念而已。真正的散熱情況還是要實(shí)際測(cè)定才可以。

        日本的技術(shù)在線拆解了幾種LED球泡燈。并實(shí)測(cè)了其泡殼溫度，結(jié)果如下表所示：因?yàn)槭覝厥窍嗤模?/p>

                                              表10 幾種球泡燈的外殼溫度

        表中的球泡燈功率從7.5W到4W。溫升最低的是4W球泡燈，其外殼溫度為38度。溫升最高的為東芝照明的7.2W球泡燈，其表面溫度高達(dá)61度。這是因?yàn)闁|芝的球泡燈散熱器沒有開槽溝的緣故。所以不開槽溝的散熱器，雖然表面光滑，外形好看，但其散熱效果會(huì)差很多。而表面溫度越高，在同樣的系統(tǒng)熱阻和功耗情況下，LED芯片的結(jié)溫也越高，LED的壽命就越短。

        由于球泡燈散熱器面積的限制，所以很難散熱超過7-9W。根據(jù)目前的LED光效，它的流明數(shù)也就相當(dāng)于60W白熾燈。隨著以后LED光效的逐年提高，相信會(huì)出現(xiàn)同樣大小而能取代100W的白熾燈。

        散熱器的材料目前大多數(shù)采用鋁合金，因?yàn)槌杀镜土庸と菀?，而且?dǎo)熱性好。但是最近出現(xiàn)了很多絕緣的塑料散熱器和陶瓷散熱器，其散熱效果也不差。因?yàn)樽詈蟮纳嶂饕繉?duì)流和輻射。而對(duì)流完全由其形狀和面積決定。輻射則和材料的輻射性有關(guān)。各種材料的熱輻射系數(shù)如下表所示：



        由表中可見，氧化處理是改進(jìn)金屬材料的輻射散熱的重要途徑。而導(dǎo)熱塑料則不需要任何氧化處理就可以達(dá)到極高的輻射系數(shù)。因此只要其外形和金屬散熱器一樣，那么其對(duì)流和輻射的效果是和金屬散熱器的效果是相同的。但是其熱傳導(dǎo)性能肯定不如金屬，所以整體散熱效果會(huì)差一些。但是如果把它做得盡可能薄，再加上一層金屬的內(nèi)壁，就可以把這個(gè)熱傳導(dǎo)低的不利因素降至最低?，F(xiàn)在已經(jīng)有導(dǎo)熱系數(shù)大于20 w/mk的塑料，但是其單價(jià)比較高。陶瓷散熱器的情況和塑料散熱器情況一樣。只是其導(dǎo)熱系數(shù)可以做得更高，當(dāng)然成本也要高很多。圖10是上海龍茂微電子公司的6W塑料外殼球泡燈。它的散熱器溫度為67度。

                                 圖10 一個(gè)6W的塑料散熱器LED球泡燈

        塑料和陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是絕緣，所以即使采用非隔離電源也容易通過安規(guī)檢驗(yàn)。

        此外，為了改善泡殼里恒流驅(qū)動(dòng)電源的散熱，通常都要加入導(dǎo)熱密封膠，以取代導(dǎo)熱差的空氣。還有一種方法是在散熱器上打孔，以便空氣的流通。但是就會(huì)有防水的問題。

五．球泡燈的泡殼

        所謂泡殼就是指前面透明的玻殼。在白熾燈中，全部都是由玻璃做成的外殼，但是在球泡燈中，雖然也可以用玻璃做前面的外殼，實(shí)際上也是有這樣做的。但是因?yàn)長(zhǎng)ED球泡燈重量很重，要比白熾燈重5倍以上，如果用玻璃做的話，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的LED球泡燈采用塑料做泡殼，以防摔壞。而且LED球泡燈因?yàn)闊崃慷紡纳崞魃⒊鋈チ耍酝ㄟ^泡殼的光大都是可見光，很少有發(fā)熱的紅外線，所以采用塑料來做泡殼也不會(huì)由于過熱而損壞。
但是塑料外殼的最大問題是透光率的問題。因?yàn)長(zhǎng)ED存在眩光的問題，所以盡可能采用乳白色的泡殼，以免看到里面的LED燈珠。而乳白色的泡殼。其透光率就更成問題了。所以對(duì)于用于LED球泡燈泡殼的塑料有以下要求：

1.具有高透光、高擴(kuò)散、無眩光、無光影；
2.光源隱蔽性要好（盡可能看不到LED燈珠）；
3.透光率達(dá)到90％以上；
4.具有高阻燃性；
5.具有高抗沖擊強(qiáng)度；

現(xiàn)在國內(nèi)有一種稱為智光LED光學(xué)燈罩的據(jù)說可以實(shí)現(xiàn)所有以上要求（圖11）。

                                            圖11 各種LED塑料泡殼

        假如真的可以實(shí)現(xiàn)94%的透光率，而且還能防眩光，無光影，那么真的是十分理想的了。其外觀圖如圖12所示。

    圖12 智光LED光學(xué)燈罩的外觀圖

六．幾種品牌LED球泡燈

下面列出了幾種市面上批量生產(chǎn)的品牌LED球泡燈的實(shí)測(cè)結(jié)果



        可以注意到一個(gè)60W的玻殼白熾燈重量只有28g。要比這些LED球泡燈輕5倍左右。另外表中的發(fā)光效率不是LED本身的發(fā)光效率，而是指整個(gè)球泡燈的發(fā)光效率，其中包括了電源的效率和光罩的透光率。所以，要能達(dá)到100lm/W的整體光效還有一段路程要走。

．LED PAR燈

        PAR燈實(shí)際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素?zé)舻囊?guī)格，飛利浦把它稱為“氯銨燈”。但是這個(gè)名字并沒有得到推廣。一般稱為“筒燈”或者“射燈”。而射燈主要是指那種具有MR16插座的燈，所以我們暫時(shí)還稱它為PAR燈或筒燈。因?yàn)橐瓦@種PAR燈兼容，所以大功率LED PAR燈就也采用和PAR燈相同的尺寸。只是結(jié)構(gòu)不同，瓦數(shù)不同，亮度不同。飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖如圖13所示。而相兼容的LED的PAR燈，其外形尺寸和他們完全相同（圖14）。

                          圖13. 飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖

                              圖14 和PAR20、PAR30、PAR38相對(duì)應(yīng)的LED筒燈

        采用LED以后，由于沒有統(tǒng)一的規(guī)格，所以具有各種不同的性能指標(biāo)，現(xiàn)在選擇其中比較典型者和原來飛利浦鹵素?zé)舻闹笜?biāo)比較如下表所示。



        其中光強(qiáng)指標(biāo)二者所用的單位不同，飛利浦采用cd（燭光），而通常LED則采用lm（流明）。二者的關(guān)系如下：φ（流明）=4πI（燭光）。但是因?yàn)槎叩陌l(fā)射立體角不同，所以無法換算。只能大致說，鹵素?zé)舻陌l(fā)光效率大約為17-33 lm/W。而LED的發(fā)光效率在100-130lm/W。約比鹵素?zé)舾?-6倍。

        PAR燈和球泡燈的結(jié)構(gòu)基本相同，只是體積大一些，瓦數(shù)大一些。因此要求的電源功率也要大一些。

        今年2月美國凌特公司宣布了一個(gè)用于LED恒流驅(qū)動(dòng)的IC（LT3799），它可以驅(qū)動(dòng)4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關(guān)管，反激隔離式而不需要光耦合器，外置元件減到最少，而且還可以用于可控硅調(diào)光。

                圖15 可用于高功率LED PAR燈的反激式隔離型恒流電源

這個(gè)電路圖是一個(gè)給24瓦PAR燈用的演示板的電路圖。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：



它的演示版的布置圖如圖16所示。具體應(yīng)用時(shí)當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成圓形。

                                              圖16. LT3799的演示版

        這個(gè)市電恒流源因?yàn)楣β蚀螅铱梢赃m應(yīng)4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開關(guān)管，而且也因?yàn)楣β蚀?，所以要求采用功率因?shù)校正（PFC）。對(duì)于不同的功率，除了要選擇不同的MOS管外，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個(gè)恒流源的體積和重量，降低了效率。但是這是為隔離市電所必需的。

八．LED球泡燈的市場(chǎng)前景

        據(jù)有關(guān)方面估計(jì)，LED將以每年30%以上的成長(zhǎng)率增長(zhǎng)直至2014年。LED球泡燈如果要全部取代白熾燈的話，其全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6400億美元，而到2010年12月為止，LED球泡燈銷售量為2000萬顆。其市場(chǎng)滲透率只有3.2%，預(yù)計(jì)到2013年可以達(dá)到12.5%。也就是相當(dāng)于800億美元的銷售額。而其單價(jià)將以每年15-20%的速度遞降。一個(gè)能夠取代60W白熾燈的LED球泡燈，在2008年賣90美元，到2010年就只賣40美元。

         而中國更是生產(chǎn)和使用白熾燈的大國，2009年生產(chǎn)的白熾燈37.9億只，約為全球產(chǎn)量的三分之一，本國每年消費(fèi)14億只。但是中國還沒有規(guī)定何時(shí)禁止白熾燈的生產(chǎn)的日期，而只是準(zhǔn)備通過征收消費(fèi)稅來加快淘汰白熾燈。然而，目前也只是準(zhǔn)備用節(jié)能燈來取代白熾燈，而不是用LED球泡燈來取代。所以雖然中國也生產(chǎn)了不少LED球泡燈，但是主要為出口。本國銷售的只占極少數(shù)。其根本的問題還是價(jià)錢太貴。不過隨著LED發(fā)光效率的提高，生產(chǎn)成本的降低，LED球泡燈一定會(huì)有一天能夠全部取代白熾燈。假定取代全中國的白熾燈需要10年的時(shí)間，我們可以來粗略地估計(jì)一下這十年里在中國LED球泡燈的取代過程。



*由于人民幣匯率不好預(yù)測(cè)，所以以美元計(jì)

        現(xiàn)在LED的最高發(fā)光效率大約為140lm/W，預(yù)計(jì)到2020年，LED的光效將要提升到240lm/W。這就可以降低電源功耗，減小散熱器體積和重量。從而降低整個(gè)LED球泡燈的成本。那時(shí)候，LED球泡燈全面取代白熾燈的時(shí)代就會(huì)到來！