大功率LED電路的設(shè)計(jì)方法

概 論

LED路燈即半導(dǎo)體照明燈，以發(fā)光二極管作為光源，因其是一種固態(tài)冷光源，具有環(huán)保無(wú)污染、耗電少、光效高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，做成的LED路燈。

路燈是城市照明的重要組成部分，傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈整體上光效低的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費(fèi)，因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、顯色指數(shù)高、環(huán)保的路燈對(duì)城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。

LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，大功率LED路燈的光源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。

燈具的定義

凡能分配透出或轉(zhuǎn)變一個(gè)或多個(gè)光源發(fā)出的光線的一種器具，并包括支承 固定和保護(hù)光源必需的包有部件，以及必需的電路輔助裝置和將它們與電源連的裝置。其基本組成包括：燈體（Housing）﹑光源（Luminaire）﹑反光罩（Reflector）﹑電器組件（Electrical assembly）等。

燈具的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

燈具的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，也就是燈具質(zhì)量的衡量指標(biāo)，主要包括以下幾個(gè)方面

LED燈具散熱

建議：LED路燈Light Bar安裝面用較易成型的2mm-3mm厚鋁板加工，上面另外固定鋁基Heatsink作散熱用，嘗試通過(guò)不同形狀及尺寸的 Surface來(lái)得到最佳光學(xué)參數(shù)（配光曲線）。優(yōu)點(diǎn)：用較低的成本及較短的開發(fā)同期來(lái)確定新款燈具Light Bar安裝面形狀及尺寸。一款好的路燈產(chǎn)品（截光燈具），其光學(xué)設(shè)計(jì)必須滿足以下幾個(gè)要求：配光曲線呈蝠翼狀（滿足道路照明所需要的延展性）最大光強(qiáng)方向不能大于65°（照明無(wú)眩光）80 °方向上所發(fā)出的最大光強(qiáng)不能大于30cd/1000lm，90 °方向上所發(fā)出的最大光強(qiáng)不能大于10cd/1000lm

燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足：

結(jié)構(gòu)合理，滿足燈具的各種機(jī)械及電氣性能（結(jié)構(gòu)強(qiáng)度﹑防護(hù)等級(jí)﹑高壓及接地 測(cè)試等）。 安全性 便于燈具的成品組裝。便于燈具安裝及維護(hù)。燈具的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮零配件的適配性及通用性。（降低成本，減少庫(kù)存及便于物料管理

燈具的防觸電保護(hù)分類

燈具的防塵、防水等級(jí)

目前采用特征字母“IP’’后面跟兩個(gè)數(shù)字來(lái)表示燈具的防塵、防水等級(jí);第1個(gè)數(shù)字表示對(duì)人、固體異物或塵埃的防護(hù)能力，第二個(gè)數(shù)字表示對(duì)水的防護(hù)能力;在防塵能力和防水能力之間存在一定的依賴關(guān)系，也就是說(shuō)第一個(gè)數(shù)字和第二個(gè)數(shù)宇間有一定的依存關(guān)系

防護(hù)等級(jí)特征字母IP后面數(shù)字的意義

防護(hù)等級(jí)特征字母IP后面數(shù)字的意義

燈桿設(shè)計(jì)

燈桿的設(shè)計(jì)首先是要滿足其使用功能，即為保證有足夠的強(qiáng)度為燈具提供支撐，然后再考慮其美觀性，即與燈具及周圍環(huán)境的匹配。

燈具的安裝仰角一般是由燈桿來(lái)決定的，其取值范圍為10°-15 °。

燈桿（中桿）錐度取值范圍為1：90 – 1：110，其計(jì)算公式為（Φ1–Φ2）/H，另一種

常用的表示方法為1：10 – 1：11，即燈桿每增加1米，燈桿直徑增加10（11）mm。

燈桿間距與燈桿高度的關(guān)系：D（燈桿間距）=3.5 – 4H（燈桿高度）。燈桿表面處理：內(nèi)外熱浸鋅（δ=65 - 100μm）后外表面噴塑（δ=80 - 120μm）。

燈桿設(shè)計(jì)完成后必須根據(jù)安裝地的最大風(fēng)速及自身負(fù)載進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

LED散熱設(shè)計(jì)的重要性

目標(biāo)1：Higher Flux LED

提高LED的效率

提高電流 （功率）

更高的結(jié)溫 （Tj）

目標(biāo)2：高性能 LED

光學(xué)性能

高可靠性

依賴于結(jié)溫 （Tj）

熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要處理好結(jié)溫 Tj.

LED節(jié)溫公式

平行熱阻

LED結(jié)溫計(jì)算方法

LED在使用過(guò)程中需要特別注意芯片的結(jié)溫Tj，假如LED的結(jié)溫超過(guò)規(guī)定的最高結(jié)溫，那么會(huì)嚴(yán)重影響LED的壽命，甚至造成LED損壞，因此為了確保LED產(chǎn)品正常工作，必須將結(jié)溫Tj控制在允許的范圍內(nèi)，以免對(duì)LED造成不良影響。由于無(wú)法測(cè)得LED芯片上的結(jié)溫，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)時(shí)，只能參考LED的Pin腳溫度或MCPCB接近LED芯片處的溫度，通過(guò)該溫度反推得到結(jié)溫Tj，公式如下：

結(jié)溫Tj = Pin腳溫度 熱阻 × LED功耗

為了確保LED能正常工作，一般規(guī)定測(cè)量得到的LED Pin腳的溫度或MCPCB接近芯片處的溫度必須比根據(jù)上述公式算出的LED Pin腳或MCPCB板的上限溫度低10 ℃以上，但這僅僅只是一個(gè)上限值，原則上此溫度是越低越好。

例如某款LED，其最高結(jié)溫為120℃，熱阻為23℃/ W，額定電壓為2.85V，額定電流為385mA，功耗為1.1W，所以算出此時(shí)Pin腳溫度為：120 ℃- 23℃/ W x 1.1W=94.7 ℃

根據(jù)上述規(guī)定，實(shí)際測(cè)得的LED Pin腳或MCPCB板的溫度不能高于84.7 ℃

LED結(jié)溫計(jì)算方法

在實(shí)際使用中有時(shí)LED并不是以額定電流工作的，對(duì)上款LED，若其工作電流為300mA，則其功耗為0.86W，所以算出此時(shí)Pin腳溫度為：120 ℃- 23℃/ W x 0.86W=100.3 ℃

此時(shí)實(shí)際測(cè)得的LED Pin腳或MCPCB板的溫度不能高于90.3 ℃

上表為L(zhǎng)ED結(jié)溫與其光輸出的關(guān)系。對(duì)白光而言，當(dāng)Tj=20 ℃時(shí)，其光輸出為100%，當(dāng)Tj=120 ℃，其光輸出只有原來(lái)的68%。作為L(zhǎng)ED燈具，其散熱效果越好，則其光輸出性越好，燈具壽命也就越長(zhǎng)。

總 結(jié)

LED路燈進(jìn)步明顯，展示了美好的發(fā)展前景。光效提高很快，整燈的光效最高超過(guò)80Lm/W，應(yīng)用光效最高接近50 Lm/W，主干道應(yīng)用已露曙光；配光水平大為提高，均勻度相比高壓鈉燈已有優(yōu)勢(shì)；光衰問(wèn)題明顯改善，相比其它光源并不遜色。但是，色溫方面所暴露的問(wèn)題要引起高度重視，歸納起來(lái)為五大挑戰(zhàn)：

1、led白光的接受程度；

2、光色的舒適感較差（較低色溫存在偏綠問(wèn)題，較高色溫存在偏綠偏紫問(wèn)題）；

3、同型號(hào)產(chǎn)品色溫一致性不佳；

4、不同方向色溫的均勻性較差；

5、色溫的飄移較嚴(yán)重等。