LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)全攻略

例如在采用DC-DC電源的LED照明應(yīng)用中，可以采用的LED驅(qū)動(dòng)方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等，基本的應(yīng)用示意圖見圖7。

圖7 常見的DC—DC LED驅(qū)動(dòng)方式

電阻型驅(qū)動(dòng)方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、成本低，且沒有電磁兼容（EMC）問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選（binning） LED,且能效較低。

線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)（fold back），且提供外部電流設(shè)定點(diǎn)，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關(guān)穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(guān)（FET）的開和關(guān)，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問題。LED DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等不同類型。

其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時(shí)采用降壓結(jié)構(gòu)，如采用24 Vdc 驅(qū)動(dòng)6 顆串聯(lián)的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時(shí)采用升壓結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 驅(qū)動(dòng) 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構(gòu)，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動(dòng) 4 顆串聯(lián)的LED,但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

三、LED散熱處理方案及基礎(chǔ)

在LED燈具設(shè)計(jì)中，如果僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本環(huán)節(jié)主要從熱分析方面對如何運(yùn)用LED特性的設(shè)計(jì)進(jìn)行解說。雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大，但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去，光源的發(fā)熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。另外，由于LED封裝面積小，通過對流和輻射的散熱少，從而積累了大量的熱。

熱解決方案簡單的說就是解決因?yàn)闊岙a(chǎn)生的各種問題。主要有：

1.因?yàn)闊崤蛎泴?dǎo)致彎曲和龜裂

電子設(shè)備由多個(gè)零件構(gòu)成，每個(gè)零件的材質(zhì)都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此，當(dāng)各種材質(zhì)組合在一起的時(shí)候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲，膨脹時(shí)，產(chǎn)品在連接處因?yàn)閼?yīng)力過多就會(huì)產(chǎn)生龜裂。

2.電子電路的運(yùn)行障礙

一般來說，作為熱源的半導(dǎo)體元件，有這樣一個(gè)特性，即當(dāng)電子設(shè)備中的半導(dǎo)體元件溫度上升，電的阻抗就會(huì)變小。這樣就容易陷入“溫度上升－阻抗下降－電流增加－熱增加－溫度上升”的惡性循環(huán)，進(jìn)而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。

3.材料品質(zhì)的惡化

一般說來，電子設(shè)備中使用的材料容易氧化，溫度越高氧化越快，如果讓這些材料反復(fù)經(jīng)過高溫氧化，就會(huì)縮短其壽命。同時(shí)，反復(fù)加熱，材料多次膨脹，多次冷縮，會(huì)降低材料的強(qiáng)度，從而破壞了材料。

LED的熱解決方案

要避免電子設(shè)備的發(fā)熱有多種方法。比如，加散熱器，在熱源周圍安置能提供冷氣的風(fēng)扇。前者是通過增加散熱面積，來增加散熱的通道，后者是使熱不在熱源周圍聚集。但是，正如圖1 LED燈的概括圖所示，LED封裝時(shí)不能直接連接散熱器，也沒有安裝風(fēng)扇的位置。而且內(nèi)部電源電路板也會(huì)產(chǎn)生熱量，因此LED燈的散熱問題可以說是一個(gè)非常棘手的問題。這樣，如何有效使用LED安裝材質(zhì)和散熱器就變得很重要。

圖8 LED燈概括圖

那么如何有效利用LED安裝材質(zhì)和散熱器呢？首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。

LED元件產(chǎn)生的熱通過封裝的導(dǎo)線向電路板移動(dòng)，然后再通過散熱器放熱。電源電路板產(chǎn)生的熱也是如此，通過電路板周圍的空氣和填充材質(zhì)，透過散熱器向外部散熱。

熱解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素，比如可以考慮在傳熱路徑中使用導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)、擴(kuò)大路徑的斷面面積（例如，粗的銅線比細(xì)的銅線更容易導(dǎo)熱）、涂導(dǎo)熱潤滑劑使產(chǎn)品的連接部位不留空隙。

另外，即使通過這些提高了導(dǎo)熱特性，但如果散熱器不向外部散熱，內(nèi)部還是會(huì)聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個(gè)散熱片，擴(kuò)大散熱器的放熱面積。

LED應(yīng)用

LED具有發(fā)光效率高、 壽命長、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產(chǎn)品來說很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的2～3倍 (有些資料顯示是40倍)， 因?yàn)閴勖L而使用LED的一個(gè)典型例子就是交通信號(hào)燈。另外，由于LED燈的反應(yīng)速度非?？?，所以也適合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設(shè)計(jì)自由度非常高，不僅能調(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。