工程師分享：LED球泡燈電源設計經驗與光學結構技術探討

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。假定溝槽平均深度為0.3cm，長度為5cm，溝槽數為46個，那么開溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2。總計散熱面積為188 cm2。根據經驗數據，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境溫度和允許的升溫。因為球泡燈大部分是用在室內，環境溫度不是很高，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。
　　日本的技術在線拆解了幾種LED球泡燈。并實測了其泡殼溫度，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。隨著以后LED光效的逐年提高，相信會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。各種材料的熱輻射系數如下表所示：

　　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，就可以把這個熱傳導低的不利因素降至最低。現在已經有導熱系數大于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6W的塑料散熱器LED球泡燈

　　塑料和陶瓷的最大優點是絕緣，所以即使采用非隔離電源也容易通過安規檢驗。
此外，為了改善泡殼里恒流驅動電源的散熱，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；
　　現在國內有一種稱為智光LED光學燈罩的據說可以實現所有以上要求（圖10）。

圖10，各種LED塑料燈罩

　　假如真的可以實現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的品牌LED球泡燈的實測結果

　　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。另外表中的發光效率不是LED本身的發光效率，而是指整個球泡燈的發光效率，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）。二者的關系如下：φ（流明）=4πI（燭光）。但是因為二者的發射立體角不同，所以無法換算。只能大致說，鹵素燈的發光效率大約為17-33 lm/W。而LED的發光效率在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用于LED恒流驅動的IC（LT3799），它可以驅動4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關管，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。其主要技術指標如下：

　　它的演示版的布置圖如圖14所示。具體應用時當然也可以設計成圓形。

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4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開關管，而且也因為