工程師分享：LED球泡燈電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)探討

　　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?？梢韵胂螅蚺轃舻氖袌?chǎng)是十分巨大的。

　　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：
　　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）。
　　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)。
　　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。
　　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。
　　燈頭要相同 中國(guó)過去大都是采用卡口式，改革開放以后大都改用和美國(guó)一樣的螺口式。就是美國(guó)的E26或E27。這點(diǎn)也還是很容易做到的。
　　電源要相同，都應(yīng)該是220VAC（或美國(guó)的110VAC），這也是沒問題的。

　　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(guó)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球泡燈外形圖
　　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，球泡燈的結(jié)構(gòu)

　　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：

　　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。
　　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。
　　電源效率：一般隔離式在80-85%左右，非隔離式在90%左右
　　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
　　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(guó)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

　　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(guó)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4）。

圖4，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5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5，采用IW3610的隔離式電源原理圖

　　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6所示。其外形是專門為球泡燈而設(shè)計(jì)。

圖6，IW3610的演示板

　　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7）。

圖7，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。