工程師分享：LED球泡燈電源設(shè)計經(jīng)驗與光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)探討

圖8，截頂?shù)膱A錐體

　　圓錐體的側(cè)面積為πHD/2，所以截去一個尖頂以后的側(cè)面積是πHD/2-πhd/2=π(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么這個截頂以后的側(cè)面積就是48.7cm2，可近似為50平方厘米。而因為大多數(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乘長度l再乘2，再乘以溝槽數(shù)。假定溝槽平均深度為0.3cm，長度為5cm，溝槽數(shù)為46個，那么開溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2?？傆嬌崦娣e為188 cm2。根據(jù)經(jīng)驗數(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。因為球泡燈大部分是用在室內(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，可以得到一個數(shù)量級的概念而已。真正的散熱情況還是要實際測定才可以。
　　日本的技術(shù)在線拆解了幾種LED球泡燈。并實測了其泡殼溫度，結(jié)果如下表所示：因為室溫是相同的，

　　圖中的球泡燈功率從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。這是因為東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，因為成本低廉，加工容易，而且導(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。因為最后的散熱主要靠對流和輻射。而對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9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9,一個6W的塑料散熱器LED球泡燈

　　塑料和陶瓷的最大優(yōu)點是絕緣，所以即使采用非隔離電源也容易通過安規(guī)檢驗。
此外，為了改善泡殼里恒流驅(qū)動電源的散熱，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。但是就會有防水的問題。

　　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，實際上也是有這樣做的。但是因為LED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球泡燈因為熱量都從散熱器散出去了，所以通過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。因為LED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)說可以實現(xiàn)所有以上要求（圖10）。

圖10，各種LED塑料燈罩

　　假如真的可以實現(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11所示。

圖11，LED燈罩的外形圖

　　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球泡燈的實測結(jié)果

　　可以注意到一個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，所以我們暫時還稱它為PAR燈或筒燈。因為要和這種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12所示。

圖12，利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖

　　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）。但是因為二者的發(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用于LED恒流驅(qū)動的IC（LT3799），它可以驅(qū)動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13，反激式隔離型恒流電源原理圖

　　這個電路圖是一個給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14所示。具體應(yīng)用時當(dāng)然也可以設(shè)計成圓形。

圖14，LT3799的演示板

　　這個市電恒流源因為功率大，而且可以適應(yīng)4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開關(guān)管，而且也因為