高亮度LED球泡燈研制及其溫升分析

季國順 邵琛

(杭州電子科技大學機械電子工程研究所，杭州 310018)

1 引言

照明燈先后經歷了白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈三個發展階段，而新興的發光二極管［1］，即LED則被認為是第四代光源［2］。使用中，單個LED所處環境及其內部發熱量對其使用性能有重大影響，研究表明輸入LED的電能約85%被轉化為熱能［3，4］，所以在LED結區會產生很高的熱量，與小功率LED相比，高亮LED球泡燈所用的大功率LED［5］，其結區產生的熱量更高［6］，結區高的溫升會減小LED光輸出、縮短其壽命、使光源顏色發生偏移［7，8］。由于單只 LED的光通量較小，為獲得與白熾燈或熒光燈相當的光照度，球泡燈這類高亮LED一般是由多只 LED構成的 LED陣列［9］，因此會在LED結區產生更高的溫度，LED陣列工作環境良好的熱結構設計可以有效地降低陣列LED結區溫度，提高其使用性能。LED陣列的結溫受到環境溫度和多個芯片之間復雜的相互作用影響［10］，因此理論分析LED球泡燈的發熱特性往往比較復雜。

與世界LED燈產業比較發達的地區相比，國內LED開發技術還比較落后［11］。本文開發了一種高亮LED球泡燈基本結構，并采用仿真和實驗的方法，分析了所研制的球泡燈發熱特性。文中的工作旨在推動我國高亮LED燈研制水平。

2 LED球泡燈結構設計

LED球泡燈的結構主要包括:透光罩、基板、散熱器、燈頭連接件等。圖1是研制的球泡燈的構成部分，其具體的裝配結構如圖2所示。各個結構都有各自的功能，對于不同功能的結構件，應當選用合適的材料，下面簡要介紹各結構件的作用，并選擇所研制的球泡燈各零部件的材料。

圖1 球泡燈基本構成

基板的功能在于導電、絕緣和支撐LED三個方面。目前工藝上采用的基板主要有印刷短路板(FR4)和鋁基板。因為LED是LED球泡燈的主要發熱部件，而基板又是直接與LED接觸的部件，所以需要盡量選擇導熱性能優良的材料作為基板。此處采用傳熱性能優良的鋁質基板，以便能夠順利地將熱量從LED傳至散熱器。

圖2 球泡燈裝配結構

透光罩應隔絕LED與外界聯系，防止灰塵或者其他腐蝕性物質接觸LED光源而影響其使用，同時又應具有較高的透光率以盡可能地透過LED發出的光線。目前一般采用玻璃和PC板作為透光罩的材料，因玻璃脆而易碎，不便于與其他部件裝配，因此此處采用PC板作為透光罩材料。

散熱器用于迅速散發LED產生的熱量，因此需選用導熱性能比較理想的材料。鋁、銅、銀等材料具有良好的導熱性能，考慮到選材的技術經濟性，此處采用鋁材作為散熱器材料，因鋁的導熱性好，經過表面陽極氧化處理后，又可提高其輻射系數，從而增強其輻射散熱能力，且價格便宜。

燈頭連接件應與市場上標準燈頭相配合，主要起連接部件的作用，需要其具有優良的絕緣性能和一定的機械強度，此處采用PC作為球泡燈燈頭連接件材料。

3 LED球泡燈驅動電路設計

目前LED均采用直流驅動，因此在市電與LED之間需要LED驅動電源，把交流電轉換成適合LED的直流電。因為不同規格LED驅動電源的性能和轉換效率不同，低效率LED驅動電源自身要消耗大量電能而無法凸顯其節能的特點，所以選擇合適、高效的LED驅動電源，才能真正展現LED光源高性能的特性。按照驅動方式，LED電源可以分為恒流式和穩壓式［12］。

LED的發光密度與其正向電流基本成正比例關系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發光亮度。溫度不變時，控制LED的正向電壓就可以控制其正向電流，從而控制其發光亮度;當溫度改變時，LED的正向電流也會隨溫度變化，從而引起LED的發光亮度的變化［2］。因為高亮 LED工作時，隨著溫度上升，LED兩端的壓降會下降，難以實現恒壓供電，所以要控制高亮LED的發光密度，驅動器必須提供準確恒定的電流源，即采用恒流源驅動LED。

采用Flyback工作原理研制驅動電路，整個驅動電路分為整流濾波電路、變壓器電路、恒流電路、去電壓尖峰電路和過壓保護電路五個部分，圖3是所研制的球泡燈的驅動電路，Flyback降壓電路及恒流電路則分別如圖4和圖5所示。整流濾波電路將交流電變換為脈動直流電;變壓器電路為LED提供穩定的工作電壓;恒流電路消除正向電壓變化所導致的電流變化;當開啟驅動電路時，去電壓尖峰電路可濾去開啟時的尖峰電壓，提高整個電路的穩定性;當LED兩端電壓偏高時，三極管MMBT4401開通，使通過其的電流增大，減小Q2集電極對地壓降，通過負反饋，減小占空比從而減小LED兩端電壓，起到對LED的過壓保護。所研制的LED球泡燈，最終工作電壓10.17V，工作電流355mA，驅動器效率76.8%。

圖3 球泡燈驅動電路

圖4 Flyback降壓電路

圖5 恒流電路

4 球泡燈發熱仿真及實驗分析

4.1 球泡燈發熱仿真

內置于SolidWorks軟件中的 Flow Simulation程序，可方便地進行結構中的液流仿真和熱分析。使用Flow Simulation仿真分析時，不需要對所設計的結構作任何修改，就可分析結構內流場的計算流體力學 (CFD)問題，利用它的CFD分析功能，可仿真真實條件下液體和氣體流動，可以分析高溫表面之間的熱量傳遞和輻射傳熱。研制的LED球泡燈，選用Flow Simulation分析其工作時，鋁基板及其外表面的溫度，從而分析LED陣列工作環境的發熱及散熱情況。

建立的LED球泡燈模型結構比較復雜，零件數較多，直接對其進行仿真，需要處理的數據量大，仿真時間較長，影響仿真效率，因此在進行仿真之前，可以對所設計的結構進行處理，簡化一些較為復雜的曲面及去掉那些對仿真結果影響不大的零部件，以盡量簡化仿真模型，提高仿真效率。LED球泡燈仿真簡化模型如圖6所示，去掉了原模型中4個M3螺釘，將驅動器簡化為一個圓柱體，并將LED和鋁基板簡化成一塊鋁板。

圖6 球泡燈熱仿真簡化模型

仿真分析時，對所研制的LED球泡燈，依次建立材料庫，編輯材料物理特性參數，選擇國際單位制，確定本次仿真需要考慮的傳導、對流、輻射三種散熱方式，選擇球泡燈LED陣列所處空間的介質為空氣，設置環境和零部件的初始溫度，確定仿真區域和選擇零部件的材料，設置熱源和驅動器的功率，最后運行Flow simulation程序，經過1小時6分鐘后，得到了所設計的球泡燈LED陣列發熱及其工作空間的熱溫度場分布。圖7設置了鋁材物理特性參數，確定仿真區域如圖8所示，圖9則給出了熱仿真結果。

圖7 設置鋁材物理特性參數

圖8 確定球泡燈仿真區域

圖9 球泡燈熱仿真結果

4.2 球泡燈發熱實驗研究

為驗證溫度仿真結果的準確性，進一步實驗測試該球泡燈穩定工作時溫度分布，并與仿真結果作對比。本實驗主要儀器為熱電偶測溫儀、燈頭座。熱電偶是用兩種不同成份的導體焊接在一起，兩端溫度不同時，在回路中就會有熱電勢產生，實驗中溫度探頭分布如圖10所示，圖11及圖12則分別為溫度測試情況及穩定工作時鋁基板溫度測試結果。表1對照了LED球泡燈上同一溫度測點仿真及實驗結果。

圖10 溫度探頭所在位置

圖11 進行溫度測試

圖12 熱電偶測溫儀示數

表1 溫度仿真及實驗結果對照

由表1可見，溫度仿真結果與實驗結果基本吻合，但溫度仿真結果要偏高，原因在于，(1)仿真時，取零部件之間直接理想接觸，因此零部件之間的熱阻較小;(2)鋁散熱器外表面進行過烤漆處理，相比仿真時取鋁散熱器與空氣直接接觸，實際增加了其與空氣之間的熱阻;(3)實驗儀器本身存在系統誤差。

5 小結

研制了一款替代白熾燈的LED球泡燈，分別設計該球泡燈的結構和驅動電路，使用了Flow simulation熱仿真該球泡燈的發熱情況，并進行了相應的實驗。仿真及實驗結果均表明，穩定工作時，所設計的LED球泡燈的鋁基板溫度低于50℃，表明該球泡燈具有良好的熱結構及散熱性能，因此所研制LED球泡燈可滿足高亮照明的使用要求。

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