工程師分享：LED球泡燈電源設計經(jīng)驗與光學(xué)結構技術(shù)探討

　　進(jìn)入2011年以后，LED逐漸向室內照明進(jìn)軍，這也意味著(zhù)開(kāi)始向民用家庭進(jìn)軍。一方面這是一個(gè)大喜事，因為民用的市場(chǎng)是非常之大；另一方面也是一個(gè)極為嚴重的挑戰，因為民用市場(chǎng)要求成本特別低，可靠性特別高?，F在離開(kāi)完全滿(mǎn)足民用市場(chǎng)的要求還很遠，可以說(shuō)還有很長(cháng)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(kāi)發(fā)出一種無(wú)論在燈頭形狀還是外型上都和白熾燈泡類(lèi)似的燈泡，這就是我們通常稱(chēng)為LED球泡燈?？梢韵胂?，球泡燈的市場(chǎng)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而不講流明數。LED雖然也可以只講瓦數，但是由于LED的光效還在不斷發(fā)展，只說(shuō)瓦數并不能代表其流明數。白熾燈最常用的瓦數有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要講流明數，那么可以用白熾燈的發(fā)光效率來(lái)計算。白熾燈的發(fā)光效率在7.5-12lm/W。瓦數越大效率越高。所以上面列出幾種瓦數的白熾燈的相對流明數可以列表如下：

　　如果采用LED來(lái)取代，也可以得出相應的瓦數。但是因為L(cháng)ED的發(fā)光效率在不斷攀升，所以很難給出準確的數字。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）。就可以得出對這兩種光效LED相應的瓦數來(lái)。但是因為L(cháng)ED需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定為85%，另外因為L(cháng)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的瓦數來(lái)。由表中可見(jiàn)，LED2在同樣亮度時(shí)大約可以節省10倍的功率。有一點(diǎn)需要特別說(shuō)明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來(lái)說(shuō)，它還不可能做到10瓦以上，也就是說(shuō)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(lèi)似 通常白熾燈為梨形的，所以L(fǎng)ED球泡燈也應當為梨形的。這點(diǎn)是很容易做到。但是白熾燈為全玻璃制品，LED因為要散熱就很難采用全玻璃的結構。下面會(huì )詳細討論LED球泡燈的結構。
　　體積大小要相當，因為L(cháng)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，同樣因為L(cháng)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 中國過(guò)去大都是采用卡口式，改革開(kāi)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。
　　電源要相同，都應該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒(méi)問(wèn)題的。

　　LED球泡燈的結構

　　LED球泡燈可以分為外部結構和內部結構。我們先來(lái)看一下它的外部結構。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球泡燈外形圖
　　這是一個(gè)5W的LED球泡燈，全長(cháng)13cm，散熱器長(cháng)5cm，直徑4.5cm，泡殼長(cháng)5.2cm，直徑5.5cm，重量114克。它大約可以取代45W的白熾燈。其外部結構主要包括3個(gè)部分，一個(gè)是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內部結構則主要是2部分，一是恒流驅動(dòng)電源，二是LED燈板（包括鋁基板和LED）在內（圖2）。

圖2，球泡燈的結構

　　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(chēng)為Off-Line，有把中文譯成離線(xiàn)式是很不恰當的，因為英文原意是From Line的意思，應該譯成在線(xiàn)，但又會(huì )和網(wǎng)絡(luò )的在線(xiàn)相混，所以不如就直接稱(chēng)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(lèi)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(xiàn)220V隔離。一般說(shuō)，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(guò)安規檢驗。隔離式就比較安全，比較容易通過(guò)安規，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(guò)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（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?chē)馈?BR>　　下面來(lái)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

　　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)有源式的功率因數校正（PFC），可以把它的功率因數提高到>0.9以滿(mǎn)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 )直接加到負載LED上。

其實(shí)假如不要求功率因數的話(huà)，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大約在0.5-0.6之間。因為電路簡(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(lèi)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)檢測墻上有無(wú)可控硅調光器，如果有的話(huà)就可以調光，其調光范圍可以從2%調到100%。而且最后采用了PWM調光，調光頻率高達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(gè)特點(diǎn)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(zhuān)門(mén)為球泡燈而設計。

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(jiàn)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(guò)精加工以后LED底板就可以直接固定上去，否則的話(huà)，二者之間會(huì )有氣隙，需要涂覆硅導熱膠以改善導熱。
　　球泡燈由于體積的限制所以散熱是一個(gè)大問(wèn)題。無(wú)論是哪種散熱器都是只能依靠對流和輻射兩種方法來(lái)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(gè)截去尖頂的圓錐體。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。