《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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(附圖)
摘要: 進入2011年以后,LED逐漸向室內(nèi)照明進軍,這也意味著開始向民用家庭進軍。一方面這是一個大喜事,因為民用的市場是非常之大;另一方面也是一個極為嚴重的挑戰(zhàn),因為民用市場要求成本特別低,可靠性特別高。現(xiàn)在離開完全滿足民用市場的要求還很遠,可以說還有很長的路要走。
Abstract:
Key words :

  進入2011年以后,LED逐漸向室內(nèi)照明進軍,這也意味著開始向民用家庭進軍。一方面這是一個大喜事,因為民用的市場是非常之大;另一方面也是一個極為嚴重的挑戰(zhàn),因為民用市場要求成本特別低,可靠性特別高。現(xiàn)在離開完全滿足民用市場的要求還很遠,可以說還有很長的路要走。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?,球泡燈的市場是十分巨大的。

  對LED球泡燈的要求

  因為要替換白熾燈,所以至少要有以下幾方面的要求:
  亮度要相當 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)。但是因為LED的發(fā)光效率在不斷攀升,所以很難給出準確的數(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(暖白的光效會低于此值)。就可以得出對這兩種光效LED相應(yīng)的瓦數(shù)來。但是因為LED需要恒流源,而恒流源有一定的效率,假定為85%,另外因為LED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?shù)耐邤?shù)來。由表中可見,LED2在同樣亮度時大約可以節(jié)省10倍的功率。有一點需要特別說明的。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。當然PAR燈就另當別論了(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)當為梨形的。這點是很容易做到。但是白熾燈為全玻璃制品,LED因為要散熱就很難采用全玻璃的結(jié)構(gòu)。下面會詳細討論LED球泡燈的結(jié)構(gòu)。
  體積大小要相當,因為LED需要恒流源和散熱器,所以這是非常難做到的。
  重量要相當,同樣因為LED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。這點也還是很容易做到的。
  電源要相同,都應(yīng)該是220VAC(或美國的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$40):

圖1,LED球泡燈外形圖
  這是一個5W的LED球泡燈,全長13cm,散熱器長5cm,直徑4.5cm,泡殼長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個部分,一個是燈頭,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

  因為球泡燈都是用市電供電,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?shù)模驗橛⑽脑馐荈rom Line的意思,應(yīng)該譯成在線,但又會和網(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,那是指負載端是否與火線220V隔離。一般說,非隔離因為不需要隔離變壓器,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。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:因為球泡燈的體積大小必須和玻殼的白熾燈相當,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。
  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


  其實這個電源的核心就是一個恒流二極管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實際上是一個有源式的功率因數(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是一個防電磁干擾EMI的濾波器。它的缺點是非隔離,所以220V會直接加到負載LED上。


        其實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。因為電路簡單,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,這樣就多了一個隔離變壓器,增加了體積、成本,降低了效率。圖5是一個采用iWatt公司iW3610的反激式隔離電源電路圖。其實這個芯片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分類似。

圖5,采用IW3610的隔離式電源原理圖


  這個電路還可以自動檢測墻上有無可控硅調(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900Hz,因此避免了閃爍。另外由于采用了準諧振控制使其總效率高達85%。它還有一個特點是采用變壓器初級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。

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大問題。無論是哪種散熱器都是只能依靠對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算。假定其散熱器可以近似為一個截去尖頂?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。現(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.透光率達到90%以上;
  4.具有高阻燃性;
  5.具有高抗沖擊強度;
  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燈的規(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,現(xiàn)在選擇其中比較典型者和原來飛利浦鹵素燈的指標比較如下表所示。

  其中光強指標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,鹵素燈的發(fā)光效率大約為17-33 lm/W。而LED的發(fā)光效率在100-130lm/W。約比鹵素燈高4-6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)指標如下:


  它的演示版的布置圖如圖14所示。具體應(yīng)用時當然也可以設(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,而且也因為功率大,所以要求采用功率因數(shù)校正(PFC)。對于不同的功率,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。

  LED球泡燈的市場前景

  據(jù)有關(guān)方面估計,LED將以每年30%以上的成長率增長直至2014年。LED球泡燈如果要全部取代白熾燈的話,其全球市場規(guī)模達到6400億美元,而到2010年12月為止,LED球泡燈銷售量為2000萬顆。其市場滲透率只有3.2%,預(yù)計到2013年可以達到12.5%。也就是相當于800億美元的銷售額。而其單價將以每年15-20%的速度遞降。一個能夠取代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14億只。但是中國還沒有規(guī)定何時禁止白熾燈的生產(chǎn)的日期,而只是準備通過征收消費稅來加快淘汰白熾燈。然而,目前也只是準備用節(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年的時間,我們可以來粗略地估計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,所以以美元計
  現(xiàn)在LED的最高發(fā)光效率大約為140lm/W,預(yù)計到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LED球泡燈的成本。那時候,LED球泡燈全面取代白熾燈的時代就會到來!

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