LED防爆燈具的設計方法研究

施偉斌 翁振克 黃 軍 蘇勝君

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093;2.上海寶臨防爆電器有限公司，上海 200940)

1 引言

LED具有光效高、顯色性好、體積小和壽命長等優點，正逐步取代傳統光源應用于各類燈具。防爆燈具是一種應用于爆炸性環境中電器設備，與普通燈具相比，防爆燈具需要滿足特定的保護要求。根據GB3836—2010的規定，防爆燈需要滿足防爆電器的通用保護要求和防爆燈具特殊的保護要求 (如可用光源類型、須加裝透明保護罩和燈蓋應帶有自動連鎖裝置等)。國內已有多家企業和高等院校開展了LED防爆燈具設計方法的研究，目前已公布了多種設計方案［1～6］，并有不少產品面市［7，8］。

在光源尺寸和光強分布方面，LED與傳統光源有顯著差別，并且LED對溫度比較敏感，如果散熱處理不當，LED的性能會顯著降低。為了能夠發揮LED高效節能和壽命長的優勢，應對LED防爆燈的設計方法進行研究，在此基礎上，根據LED的特點和保護要求做出合理設計。下面從光源、散熱和光學設計三個方面分別對現有方案進行比較，然后介紹針對集成封裝的LED的散熱測試實驗，最后給出總結。

2 光源

目前在LED防爆燈中所使用的光源主要有單芯片 (single die)獨立封裝和多芯片陣列 (multi-die array)集成封裝兩種形式。單芯片獨立封裝的LED光源功率較小，功率范圍為1W～5W，其中1W的光源應用最多。單個光源的尺寸較小，便于通過光學設計得到理想的照明效果。不過由于單個光源輸出的光通量較小，因此需要使用一定數量的LED才能滿足照明要求，一個LED防爆燈中一般需要使用數十只至上百只1W的LED。使用大量分散布局的LED的有利之處是便于散熱;不利之處是零件數量較多，特別是當需要為每個LED單獨配置反射器或透鏡時，導致結構復雜度、產品重量和安裝工作量明顯增加。

在多種 LED 防爆燈的設計方案中［1，3～5，8］使用了單芯片獨立封裝的 LED，圖 1(a)［4］和 (b)［5］是兩種這類防爆燈的結構示意圖。

圖1 LED的防爆燈Fig.1 LED lamps for explosive atmospheres

將多個芯片封裝在一個光源模塊中可以提高單個光源的總輸出光通量，從而有利于降低LED燈具的設計和制造難度。各LED光源廠商生產了不同規格的集成封裝LED光源以滿足不同的應用需求，在單個LED光源模塊中集成的芯片數量從幾個到上百個不等，相應地單個光源的光通量可以達到數百流明至數千流明。如OSRAM的SOLERIQ E45［9］系列產品的光效可以達到116lm/W(CCT=4000K)，單個模塊的光通量的典型值為4500lm;CREE的XLamp CXA2011在驅動功率為40W時輸出的光通量可以達到3500lm［10］;國內不少廠商生產了50～100W的LED模塊，輸出光通量最高可以達到約9000lm［11］。集成封裝的LED光源模塊結構緊湊，便于安裝和更換。然而由于熱量集中，散熱比較困難。如果散熱措施不當，會導致LED的結溫過高，進而影響光效和使用壽命。

多項專利［2，6］和產品［1，7］中使用了集成封裝的LED模塊。在圖2所示的LED防爆燈中，5號零件為集成封裝的LED模塊［6］。

3 散熱方法

散熱是LED燈具設計中需解決的關鍵問題之一，盡管目前量產的LED的發光效率可以達到80～120lm/W，但供電功率中仍然僅有約20%～40%轉換為光輻射能通量，其余則轉換為熱能［12，13］，為保證LED的使用壽命，必須采用適當的散熱方法使LED產生的熱能得到及時轉移。

由于防爆燈需滿足保護要求，光源和電源均需要安裝在保護外殼中，因此LED防爆燈的散熱更加困難。

出于安全性考慮，目前在LED防爆燈中普遍采用被動式散熱方法［12］，按照燈具向外部環境傳熱的方式可以將現有LED防爆燈分為利用保護外殼傳熱［1～6］和使用專用的散熱器傳熱［7］兩種類型。

在利用保護外殼散熱的方案中，從LED到外殼之間的傳熱又有多種形式。一種方法是將LED安裝在與外殼相連的基板上［4，14］，再通過外殼將熱量轉移至燈具外部 ［如圖1(a)所示］。該方案中基板與外殼的接觸面積較小，因而會形成較大的熱阻，另外，安裝于不同位置的LED的散熱條件會有顯著差別，在設計燈具參數時，應保證在燈具工作于最大功率的條件下，中間區域的LED的溫度不超過額定值。一些設計方案使用散熱片將熱量傳輸至外殼，在專利CN 200982560Y［15］的方案中，散熱器由內外兩部分組成，由于內部散熱器是通過肋片的頂面與外殼接觸，因此也會在兩者之間產生較大的熱阻。專利CN201661912U［16］在光源腔和電源腔之間增加了一個散熱腔，散熱腔外殼上開有氣孔，使散熱片傳輸的熱量能夠依靠空氣對流得到轉移。該方案的傳熱效果受到散熱腔的尺寸、氣孔的尺寸和密度等因素的影響。另外一些方案使用熱管傳輸LED產生的熱［2，5］，熱管的蒸發端連接在LED的導熱基板上，冷凝端連接在保護外殼上。熱管的當量導熱系數理論上可達金屬的103～104倍［12］，從而可以快速地將LED產生的熱量傳輸到外殼，顯然，保護外殼的散熱能力決定了散熱系統的整體性能。

LED的結溫TJ由LED發熱功率P、從芯片到環境的總熱阻 RθT和環境溫度 TA決定［18］:

對于利用外殼散熱的燈具，總熱阻RθT可以近似表示為:

其中，RθJ－S為 PN 結與焊點間的熱阻，RθS－B為焊點與電路基板之間的熱阻，RθB－M為電路基板與傳熱部件之間的熱阻，RθM－H為傳熱部件與外殼之間的熱阻，RθH－A為外殼與環境之間的熱阻。

由公式 (2)可知，為降低總熱阻，應設法減小 RθB－M、RθM－H和 RθH－A，在上述利用外殼散熱的方案中，使用熱管的方案具有最小的 RθB－M+RθM－H，而外殼與環境之間的熱阻 RθH－A是影響散熱效果的重要因素。為提高散熱能力，上述各方案分別在保護外殼上設置了散熱肋片［3，4，14］或與肋片功能相似的散熱加強筋［2，5］。根據肋片的傳熱原理［17］，肋面總效率由肋片高度、厚度、肋片表面積、肋間連接面面積和材料的導熱系數等確定，因此，對于利用保護外殼散熱的方案，應當合理設計保護外殼上的散熱肋片的參數。

與利用保護外殼散熱的方法相比，使用專用的散熱器具有更高的效率，一方面，專用的散熱器具有更低的熱阻，另一方面，將LED及其電路板直接安裝在散熱器上可以減少傳熱環節，不僅可以降低熱阻，也使結構得到簡化。圖2和圖3［7］是使用散熱器散熱的兩個例子。在本文第5節將給出針對此類方案的的一些測試實驗結果。

圖2 使用集成封裝LED的防爆燈Fig.2 LED lamps for explosive atmosphere using integrated encapsulation

圖3 使用專用散熱器的LED防爆燈Fig.3 LED lamps for explosive atmosphere using special heat dissipation

4 光學設計

光學設計是燈具設計中的重要環節，合理的光學設計不僅可以獲得良好的照明效果，也使燈具具有較高的效率。進行燈具的光學設計時，應同時考慮照明要求和光源的發光特性。

根據應用場合的不同，對LED防爆燈的配光要求亦不相同。對于室內照明燈具，由于存在墻壁反射，并且一般使用多盞燈具疊加照明，因此旋轉對稱的光強分布可以滿足照明要求;而應用于室外工作區域或道路照明的防爆燈應使燈具輸出的光通量盡可能集中于需要照明的區域內，以提高光能的利用率。根據所應用的環境條件，LED防爆燈還需要滿足特定的保護要求。

從光學設計的角度考慮，LED具有如下特點:1)發光表面的面積和光源整體體積較小，特別是單芯片獨立封裝的LED，光源的發光表面的面積約1～10mm2，易于通過光學設計準確地控制照明范圍和光強的分布。2)LED近似于平面發光體，光輻射僅分布于2π的立體角中，因而無需在光源背面設置反射面，未封裝透鏡的LED或僅采用球面透鏡封裝的LED其光強分布近似于余弦輻射體。3)亮度高，按照輸出光通量100lm，發光表面的面積10mm2計算，LED的亮度約為3×106cd/m2，與白熾燈絲的亮度相當［19］，如果直射人眼，會產生炫目問題。由于LED與傳統光源的發光特點不同，因此不應簡單套用原有燈具的光學系統。

在光學設計方面，現有LED防爆燈可以分為采用反射器［20］、采用平凸透鏡［2，6］或棱紋透鏡［7］、將LED 布置在多面體表面［4，14］和無配光裝置［3，5，15，16］等幾種類型。通過光路分析可知，現有LED防爆燈的光強分布都屬于旋轉對稱類型，其中，使用反射器的方案結構簡單，能夠將光線限制在一定范圍內，從而避免產生眩光，反射器的反射率一般約為0.7～0.8，與利用全反射的方法相比，效率較低。使用平凸透鏡可以增強邊緣區域的光強，但也易導致亮區和暗區照度變化顯著，引起視覺不適。使用將LED布置在多面體表面，可以擴大照明范圍，增強邊緣區域的照度，主要的問題是會造成炫目。現有方案中缺少針對道路和室外場地照明的專門設計，另外，在已公開的技術方案中，對燈具的光強分布、照明范圍和發光效率等都沒有具體說明，表明現有方案僅僅應用了其他類型燈具的光學設計方法，并沒有考慮防爆燈具的特殊性。

近年來，根據LED的特點和照明要求，已開發了多種類型的非成像光學系統［21］，可以對圓形、矩形和特殊形狀的區域實現均勻照明，并具有很高的效率。在LED防爆燈的設計中可以借鑒這些方法，如何將光學設計和保護設計有機結合是未來需要研究的重要內容。

5 測試實驗

多芯片陣列集成封裝的LED光源模塊具有結構緊湊、安裝和更換方便等優點，然而，由于熱源集中，LED陣列的散熱比較困難。我們對使用肋片散熱器的方案進行了測試，測試中使用的散熱器為鋁制圓柱形直肋與銅制芯軸組合的形式 (如圖4所示)，肋片的材料為6063鋁，芯軸的材料為工業純銅。分別使用了兩種規格的散熱器，尺寸參數如表1所示。

圖4 被測光源和散熱器Fig.4 Testing light source and heat dissipation

表1 散熱器規格 (所列尺寸的單位均為mm)Table 1 Heat dissipation specifications(mm)

在實驗中使用了國內廠商制造的4種光源模塊，其中2個模塊的額度功率為50W，另外2個模塊的額定功率為100W。光源模塊安裝在銅制芯軸端面，模塊的導熱基板與芯軸端面之間涂布導熱系數為3.5W/(m·K)的硅脂。

實驗中分別測量了焊接點溫度 (TS)、LED模塊導熱底板溫度 (TB)、芯軸端面溫度 (TSF)、肋片根部溫度 (TRT)和肋片頂部溫度 (TTP)，測試現場的環境溫度為21℃，實驗結果如圖5所示，其中，1#和2#LED安裝在散熱器2上，3#和4#LED安裝在散熱器1上。

圖5 各點溫度的測量結果Fig.5 Measuring result of temperature

根據測量結果以及廠商給出的PN結到電路基板的熱阻和額定最高結溫，可以計算出使用上述散熱器，各LED模塊可以工作的最高環境溫度。表2列出了計算結果，其中，RθT為PN結到環境的總熱阻;TAmax為最高環境溫度。

表2 熱阻和最高環境溫度Table 2 Thermal resistance and the highest temperature

隨著結溫的升高，LED的光通量會逐步衰減，以結溫為25℃時的光通量作為基準值，當結溫超過70℃ 時，光通量會衰減至基準值的90%，而當達到額定最高結溫時，光通量將衰減至基準值的80%［9，10］.從提高效率的角度出發，應盡可能降低LED在工作時的結溫。為此，當環境溫度上升時，可以通過適當降低驅動功率，使結溫保持在較低的水平。表3顯示了對100W的LED采用不同驅動功率時測得的各點溫度值。可以看出，當降低驅動功率時，LED各點的溫度均明顯降低。我們也同時測量了發光效率，結果顯示 (圖6)，當降低驅動功率時，LED的發光效率會從92lm/W上升122lm/W。因此，根據環境溫度的變化，合理地調整驅動功率有利于提高效率和延長LED的使用壽命。

表3 不同驅動功率下測得的各點溫度Table 3 Temperature measured with different drive power(℃)

圖6 不同驅動功率下的光效Fig.6 Efficacy with different drive power

6 結論

本文對LED防爆燈的各種技術方案進行了比較，分析了在LED防爆燈設計中需解決的主要問題。測試了肋片散熱器用于集成封裝LED陣列的散熱效果，實驗結果表明，在常溫條件下，使用肋片式散熱器可以滿足大功率LED模塊的散熱要求，為了獲得良好的散熱效果，應使散熱器直接與外部環境接觸。根據環境溫度的變化，合理地調節LED的驅動功率是提高燈具效率的有效方法。

現階段成本和散熱問題是制約LED在防爆燈具中推廣使用的主要因素，不過，隨著半導體照明技術的發展，LED的成本正不斷降低，而光效逐步提高，預計LED的光效最終將達到180～200lm/W，相應地約50%的電能將轉化為光能［21］，因此有理由相信未來光源散熱的問題將得到根本解決。由于LED具有體積小、光效高、壽命長和污染小等優點，隨著LED成本的不斷降低，預期LED將成為防爆燈具的主要光源類型。

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