LED球泡灯结构的要求

　　一、LED 球泡灯的结构

　　LED 球泡灯可以分为外部结构和内部结构。我们先来看一下它的外部结构。一个典型的LED 球泡灯的外形如图1所示（这是作者最近在美国硅谷Fry’s 电子商店上看到的最大功率的LED 球泡灯，价$40）：

　　图1. LED 球泡灯的外形

　　这是一个5W 的LED 球泡灯，全长13cm，散热器长5cm，直径4.5cm，泡壳长5.2cm，直径5.5cm，重量114克。它大约可以取代45W 的白炽灯。其外部结构主要包括3 个部分，一个是灯头，二是散热器，三是泡壳。而内部结构则主要是2 部分，一是恒流驱动电源，二是LED 灯板（包括铝基板和LED）在内（图2）。

　　图2. 球泡灯的构成

　　下面分别来讨论这几个部分的构成。

　　二、球泡灯的电源

　　因为球泡灯都是用市电供电，所以电源也必须是市电交流输入的，英文称为Off-Line，有把中文译成离线式是很不恰当的，因为英文原意是From Line 的意思，应该译成在线，但又会和网络的在线相混，所以不如就直接称为市电式电源。

　　球泡灯的市电式电源基本指标如下：

　　1. 电源基本类型：主要分隔离式和非隔离式两种，那是指负载端是否与火线220V 隔离。一般说，非隔离因为不需要隔离变压器，所以成本低，但要求铝基板耐压高，否则散热器就有可能带电。所以比较不容易通过安规检验。隔离式就比较安全，比较容易通过安规，但成本高。

　　2. 电源输出功率：因为球泡灯的体积大小必须和玻壳的白炽灯相当，所以散热器大小有限，目前还不能超过9W。

　　3. 电源效率：一般隔离式在80-85%左右，非隔离式在90%左右

　　4. 电源功率因数（PF）：不加PF 校正在0.5-0.6,加PF 校正在0.9-0.99 左右

　　5. 体积大小：由于球泡灯留给电源的空间很小，所以体积的限制很严。

　　下面来介绍几种典型的球泡灯电源：

　　二*1 非隔离式电源

　　下面是一个采用美国安森美NCP1014 的非隔离式电源原理图（图3）

　　图3.非隔离式电源原理图

　　这个电源的基本指标如下：

　　表1

　　其实这个电源的核心就是一个恒流二极管NSI45025，以确保LED 恒流在25mA。所以它只能用于小功率贴片式的LED。其中外加的集成电路NCP1014 实际上是一个有源式的功率因数校正（PFC），可以把它的功率因数提高到>0.9以满足美国能源之星的要求。输入端的L1,C1,C2 是一个防电磁干扰EMI 的滤波器。它的缺点是非隔离，所以220V 会直接加到负载LED 上。

　　假如不要求功率因数的话，那么采用恒流二极管(CRD)的电源方案可以做得很简单（图4）。

　　图4. 最简单的采用恒流二极管的球泡灯电源

　　这种电源的功率因数大约在0.5-0.6 之间。因为电路简单，所以体积可以做得很小，而且成本很低。

　　二*2 隔离式电源

　　为了提高安全性，最好采用隔离式电源，这样就多了一个隔离变压器，增加了体积、成本，降低了效率。图6 是一个采用iWatt 公司iW3610 的反激式隔离电源电路图。其实这个芯片和Cypress 公司的CY8CLEDAC02 十分类似。

　　图5. 采用iW3610 的隔离式电源的电路图

　　其主要技术指标如下表所示：

　　表2

　　这个电路还可以自动检测墙上有无可控硅调光器，如果有的话就可以调光，其调光范围可以从2%调到100%。而且最后采用了PWM 调光，调光频率高达900Hz，因此避免了闪烁。另外由于采用了准谐振控制使其总效率高达85%。

　　它还有一个特点是采用变压器初级反馈从而取消了光耦合器件。它的外形图如图7 所示。其外形是专门为球泡灯而设计。

　　图6. iW3610 的演示板

　　三、球泡灯的散热器

　　球泡灯的LED 通常焊接在一块铝基板（LED 底板）上，这块铝基板再和一片圆形铝散热板固定，然后再把这块铝散热板固定到散热器外壳上去（见图7）。

　　图7. LED 底板如何固定到散热器上去

　　图中的铝散热板上可以看出有精加工的痕迹。经过精加工以后LED 底板就可以直接固定上去，否则的话，二者之间会有气隙，需要涂覆硅导热胶以改善导热。

　　球泡灯由于体积的限制所以散热是一个大问题。无论是哪种散热器都是只能依靠对流和辐射两种方法来把热量散发到空气中去，而这两种散热的能力都是和它的散热的面积成正比。而球泡灯的散热面积可以如下计算。假定其散热器可以近似为一个截去尖顶的圆锥体。假定大圆锥体的高度为H，直径为D，而截去的小圆锥体的高度为h，直径为d。

　　图8 截顶的圆锥体

　　圆锥体的侧面积为ðHD/2，所以截去一个尖顶以后的侧面积是ðHD/2-ðhd/2=ð(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：

　　表3 几种球泡灯的外壳温度

　　表中的球泡灯功率从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：

　　表4

　　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。

　　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。

　　四．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9）。

　　图 9 各种LED 塑料泡壳

　　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10所示。

　　图10 智光LED 光学灯罩的外观图

　　五．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：

　　表5

　　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。