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

圖8，截頂的圓錐體

　　圓錐體的側面積為πHD/2，所以截去一個(gè)尖頂以后的側面積是πHD/2-πhd/2=π(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么這個(gè)截頂以后的側面積就是48.7cm2，可近似為50平方厘米。而因為大多數散熱器都開(kāi)了溝槽，以增加其散熱面積，開(kāi)溝槽以后所增加的散熱面積為溝槽深度g乘長(cháng)度l再乘2，再乘以溝槽數。假定溝槽平均深度為0.3cm，長(cháng)度為5cm，溝槽數為46個(gè)，那么開(kāi)溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2?？傆嬌崦娣e為188 cm2。根據經(jīng)驗數據，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，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(guò)這只是極為粗略的估計，可以得到一個(gè)數量級的概念而已。真正的散熱情況還是要實(shí)際測定才可以。
　　日本的技術(shù)在線(xiàn)拆解了幾種LED球泡燈。并實(shí)測了其泡殼溫度，結果如下表所示：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(méi)有開(kāi)槽溝的緣故。所以不開(kāi)槽溝的散熱器，雖然表面光滑，外形好看，但其散熱效果會(huì )差很多。而表面溫度越高，在同樣的系統熱阻和功耗情況下，LED芯片的結溫也越高，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(guò)7-9W。根據目前的LED光效，它的流明數也就相當于60W白熾燈。隨著(zhù)以后LED光效的逐年提高，相信會(huì )出現同樣大小而能取代100W的白熾燈。
　　散熱器的材料目前大多數采用鋁合金，因為成本低廉，加工容易，而且導熱性好。但是最近出現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如下表所示：

　　由表中可見(jiàn)，氧化處理是改進(jìn)金屬材料的輻射散熱的重要途徑。而導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。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。但是其熱傳導性能肯定不如金屬，所以整體散熱效果會(huì )差一些。但是如果把它做得盡可能薄，再加上一層金屬的內壁，就可以把這個(gè)熱傳導低的不利因素降至最低?，F在已經(jīng)有導熱系數大于20 w/mk的塑料，但是其單價(jià)比較高。陶瓷散熱器的情況和塑料散熱器情況一樣。只是其導熱系數可以做得更高，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(gè)6W的塑料散熱器LED球泡燈

　　塑料和陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是絕緣，所以即使采用非隔離電源也容易通過(guò)安規檢驗。
此外，為了改善泡殼里恒流驅動(dòng)電源的散熱，通常都要加入導熱密封膠，以取代導熱差的空氣。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(huì )有防水的問(wèn)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(shí)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(huà)，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(guò)泡殼的光大都是可見(jiàn)光，很少有發(fā)熱的紅外線(xiàn)，所以采用塑料來(lái)做泡殼也不會(huì )由于過(guò)熱而損壞。
　　但是塑料外殼的最大問(wèn)題是透光率的問(wèn)題。因為L(cháng)ED存在眩光的問(wèn)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(wèn)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(wú)眩光、無(wú)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；
　　現在國內有一種稱(chēng)為智光LED光學(xué)燈罩的據說(shuō)可以實(shí)現所有以上要求（圖10）。

圖10，各種LED塑料燈罩

　　假如真的可以實(shí)現94%的透光率，而且還能防眩光，無(wú)光影，那么真的是十分理想的了。其外觀(guān)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(shí)測結果

　　可以注意到一個(gè)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(gè)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(shí)際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素燈的規格，飛利浦把它稱(chēng)為“氯銨燈”。但是這個(gè)名字并沒(méi)有得到推廣。一般稱(chēng)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(shí)還稱(chēng)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。只是結構不同，瓦數不同，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(méi)有統一的規格，所以具有各種不同的性能指標，現在選擇其中比較典型者和原來(lái)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(wú)法換算。只能大致說(shuō)，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燈和球泡燈的結構基本相同，只是體積大一些，瓦數大一些。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(gè)用于LED恒流驅動(dòng)的IC（LT3799），它可以驅動(dòng)4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開(kāi)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光。

圖13，反激式隔離型恒流電源原理圖

　　這個(gè)電路圖是一個(gè)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。具體應用時(shí)當然也可以設計成圓形。

圖14，LT3799的演示板

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