工程师分享：LED球泡灯电源设计经验与光学结构技术探讨

图8，截顶的圆锥体

　　圆锥体的侧面积为πHD/2，所以截去一个尖顶以后的侧面积是πHD/2-πhd/2=π(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么这个截顶以后的侧面积就是48.7cm2，可近似为50平方厘米。而因为大多数散热器都开了沟槽，以增加其散热面积，开沟槽以后所增加的散热面积为沟槽深度g乘长度l再乘2，再乘以沟槽数。假定沟槽平均深度为0.3cm，长度为5cm，沟槽数为46个，那么开沟槽以后增加的面积为0.3x5x2x46=138. cm2。总计散热面积为188 cm2。根据经验数据，每瓦所需要的散热面积大约在35-60 cm2。具体要多大取决于环境温度和允许的升温。因为球泡灯大部分是用在室内，环境温度不是很高，所以可以采用35 cm2/W。所以188 cm2的散热面积可以散大约5.3W左右。不过这只是极为粗略的估计，可以得到一个数量级的概念而已。真正的散热情况还是要实际测定才可以。
　　日本的技术在线拆解了几种LED球泡灯。并实测了其泡壳温度，结果如下表所示：因为室温是相同的，

　　图中的球泡灯功率从7.5W到4W。温升最低的是4W球泡灯，其外壳温度为38度。温升最高的为东芝照明的7.2W球泡灯，其表面温度高达61度。这是因为东芝的球泡灯散热器没有开槽沟的缘故。所以不开槽沟的散热器，虽然表面光滑，外形好看，但其散热效果会差很多。而表面温度越高，在同样的系统热阻和功耗情况下，LED芯片的结温也越高，LED的寿命就越短。
　　由于球泡灯散热器面积的限制，所以很难散热超过7-9W。根据目前的LED光效，它的流明数也就相当于60W白炽灯。随着以后LED光效的逐年提高，相信会出现同样大小而能取代100W的白炽灯。
　　散热器的材料目前大多数采用铝合金，因为成本低廉，加工容易，而且导热性好。但是最近出现了很多绝缘的塑料散热器和陶瓷散热器，其散热效果也不差。因为最后的散热主要靠对流和辐射。而对流完全由其形状和面积决定。辐射则和材料的辐射性有关。各种材料的热辐射系数如下表所示：

　　由表中可见，氧化处理是改进金属材料的辐射散热的重要途径。而导热塑料则不需要任何氧化处理就可以达到极高的辐射系数。因此只要其外形和金属散热器一样，那么其对流和辐射的效果是和金属散热器的效果是相同的。但是其热传导性能肯定不如金属，所以整体散热效果会差一些。但是如果把它做得尽可能薄，再加上一层金属的内壁，就可以把这个热传导低的不利因素降至最低。现在已经有导热系数大于20 w/mk的塑料，但是其单价比较高。陶瓷散热器的情况和塑料散热器情况一样。只是其导热系数可以做得更高，当然成本也要高很多。图9是上海龙茂微电子公司的6W塑料外壳球泡灯。它的散热器温度为67度。

图9,一个6W的塑料散热器LED球泡灯

　　塑料和陶瓷的最大优点是绝缘，所以即使采用非隔离电源也容易通过安规检验。
此外，为了改善泡壳里恒流驱动电源的散热，通常都要加入导热密封胶，以取代导热差的空气。还有一种方法是在散热器上打孔，以便空气的流通。但是就会有防水的问题。

　　球泡灯的泡壳

　　所谓泡壳就是指前面透明的玻壳。在白炽灯中，全部都是由玻璃做成的外壳，但是在球泡灯中，虽然也可以用玻璃做前面的外壳，实际上也是有这样做的。但是因为LED球泡灯重量很重，要比白炽灯重5倍以上，如果用玻璃做的话，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的LED球泡灯采用塑料做泡壳，以防摔坏。而且LED球泡灯因为热量都从散热器散出去了，所以通过泡壳的光大都是可见光，很少有发热的红外线，所以采用塑料来做泡壳也不会由于过热而损坏。
　　但是塑料外壳的最大问题是透光率的问题。因为LED存在眩光的问题，所以尽可能采用乳白色的泡壳，以免看到里面的LED灯珠。而乳白色的泡壳。其透光率就更成问题了。所以对于用于LED球泡灯泡壳的塑料有以下要求：
　　1.具有高透光、高扩散、无眩光、无光影；
　　2.光源隐蔽性要好（尽可能看不到LED灯珠）；
　　3.透光率达到90％以上；
　　4.具有高阻燃性；
　　5.具有高抗冲击强度；
　　现在国内有一种称为智光LED光学灯罩的据说可以实现所有以上要求（图10）。

图10，各种LED塑料灯罩

　　假如真的可以实现94%的透光率，而且还能防眩光，无光影，那么真的是十分理想的了。其外观图如图11所示。

图11，LED灯罩的外形图

　　几种品牌LED球泡灯

　　下面列出了几种市面上批量生产的品牌LED球泡灯的实测结果

　　可以注意到一个60W的玻壳白炽灯重量只有28g。要比这些LED球泡灯轻5倍左右。另外表中的发光效率不是LED本身的发光效率，而是指整个球泡灯的发光效率，其中包括了电源的效率和光罩的透光率。所以，要能达到100lm/W的整体光效还有一段路程要走。

　　LED PAR灯

　　PAR灯实际上是飞利浦公司的一种大功率卤素灯的规格，飞利浦把它称为“氯铵灯”。但是这个名字并没有得到推广。一般称为“筒灯”或者“射灯”。而射灯主要是指那种具有MR16插座的灯，所以我们暂时还称它为PAR灯或筒灯。因为要和这种PAR灯兼容，所以大功率LED PAR灯就也采用和PAR灯相同的尺寸。只是结构不同，瓦数不同，亮度不同。飞利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形图如图12所示。

图12，利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形图

　　采用LED以后，由于没有统一的规格，所以具有各种不同的性能指标，现在选择其中比较典型者和原来飞利浦卤素灯的指标比较如下表所示。

　　其中光强指标二者所用的单位不同，飞利浦采用cd（烛光），而通常LED则采用lm（流明）。二者的关系如下：φ（流明）=4πI（烛光）。但是因为二者的发射立体角不同，所以无法换算。只能大致说，卤素灯的发光效率大约为17-33 lm/W。而LED的发光效率在100-130lm/W。约比卤素灯高4-6倍。

　　PAR灯和球泡灯的结构基本相同，只是体积大一些，瓦数大一些。因此要求的电源功率也要大一些。
　　今年2月美国凌特公司宣布了一个用于LED恒流驱动的IC（LT3799），它可以驱动4-100W的LED，而且本身带PFC，外置功率MOSFET开关管，反激隔离式而不需要光耦合器，外置元件减到最少，而且还可以用于可控硅调光。

图13，反激式隔离型恒流电源原理图

　　这个电路图是一个给24瓦PAR灯用的演示板的电路图。其主要技术指标如下：

　　它的演示版的布置图如图14所示。具体应用时当然也可以设计成圆形。

图14，LT3799的演示板

　　这个市电恒流源因为功率大，而且可以适应4-100W的宽功率范围，所以一定是采用外置MOS开关管，而且也因为