室內大功率LED照明燈項目技術總結

1、 “室內大功率LED照明燈研制”技術總結一、技術原理依據本項目運用半導體大功率白光LED，研發(fā)出的用于室內照明的LED節(jié)能燈，采用直管型、環(huán)型和點陣型LED照明燈直接替換室內傳統(tǒng)光源，以滿足室內高亮度、廚衛(wèi)及裝飾照明要求。室內大功率LED照明燈具由LED恒流電源、鋁基板LED光源和燈罩三部分構成：1、LED恒流電源： LED恒流電源是led電源的一種,是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發(fā)光的電壓轉換器，實質是利用器件對電流進行反饋，動態(tài)調節(jié)設備的供電狀態(tài)，從而使得電流趨于恒定。通常情況下：LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的

2、輸出）等。而LED驅動電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。2、LED光源LED光源就是發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光體的光源。發(fā)光二極管發(fā)明于20世紀60年代，在隨后的數(shù)十年中，其基本用途是作為收錄機等電子設備的指示燈。LED的發(fā)光原理與白熾燈和氣體放電燈的發(fā)光原理都不同，LED光源的能量轉化效率非常高，理論上可以達到白熾燈10的能耗，LED相比熒光燈也可以達到50的節(jié)能效果。節(jié)能效果顯著，這對能源十分緊張的中國來說，無疑具有十分重要的意義。LED光源的基本特征：（1）、發(fā)光效率高LED經過幾十年的技術改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流

3、明/瓦，熒光燈5070流明/瓦，鈉燈90140流明/瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經改良后達到100流明/瓦以上，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。（2）、耗電量少大功率LED單管功率15瓦，采用直流驅動，單管驅動電壓23.6伏，電流300-1500毫安，反應速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的萬分之一，熒光燈管的二分之一。日本估計，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當于60億升原油。（3）、使用壽命長采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達

4、5萬小時以上。LED燈具使用壽命可達815年，可以大大降低燈具的維護費用，避免經常換燈之苦。（4）、有利于環(huán)保LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產品，也便于安裝和維護。3、燈罩燈罩不僅僅是罩在燈上為了使光聚集在一起的作用，還可以防止觸電，對保護眼睛也有作用，同時更具裝飾作用。所以大多數(shù)燈上都會有燈罩。燈罩的更新?lián)Q代比較快，而且燈具大部分都是設計師精心設計，對于用戶來說，不用將燈整個都換掉，只需要把燈具的外部燈罩或內部光源進行替換。二、設計研制過程1、工作原理介紹原理方框圖：市電低壓恒流輸出電壓變換器恒流模塊大功

5、率LED光源LED是light emitting diode的縮寫，中文名稱叫做“發(fā)光二極管” 。LED光源具有綠色、節(jié)能、長壽的特點，被稱為第四代節(jié)能照明光源。 LED的發(fā)光原理是通過將電壓加在LED的PN結兩端，使PN結本身形成一個能級（實際上，是一系列的能級），然后電子在這個能級上躍變并產生光子來發(fā)光的。LED是一種固態(tài)的半導體器件，可以直接把電能轉化為光能。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由三部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子，中間通

6、常是1至5個周期的量子阱。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。目前的LED光源是低電壓（VF=23.6V）、大電流（IF=3001500mA）工作的半導體器件，必須提供合適的直流電才能正常發(fā)光。但由于我們日常照明使用的電源是高壓交流（AC 100220V），所以必須使用降壓的技術來獲得較低的電壓，常用的是變壓器或開關電源降壓，然后將交流（AC）變換成直流（DC），再變換成直流恒流電源，才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅動LED光源的

7、系統(tǒng)應用方案必然是：開關電源降壓+恒流源。LED發(fā)光時所產生的熱能若無法導出，將會使LED結面溫度過高，進而影響產品生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性，因此，要使LED燈具正常工作，LED系統(tǒng)的熱散管理與設計便顯得十分重要。 LED散熱鋁基板主要是利用其散熱基板材料本身具有較佳的熱傳導性，將熱源從LED晶粒導出。我們將LED散熱基板細分兩大類別，分別為LED晶?；迮c系統(tǒng)電路板，此兩種不同的散熱基板分別乘載著LED晶粒與LED晶片將LED晶粒發(fā)光時所產生的熱能，經由LED晶粒散熱基板至系統(tǒng)電路板，而后由大氣環(huán)境吸收，以達到熱散之效果。 系統(tǒng)電路板主要是作為LED散熱系統(tǒng)中，最后將熱能導至散熱片、燈外殼

8、或空氣中的材料。近年來印刷電路板(PCB)的生產技術已非常純熟，早期LED產品的系統(tǒng)電路板多以PCB為主，但隨著高功率LED的需求增加，PCB之材料散熱能力有限，使其無法應用于其高功率產品，為了改善高功率LED 散熱問題，近期已發(fā)展出高熱導系數(shù)鋁基板(MCPCB)，利用金屬材料散熱特性較佳的特色，已達到高功率產品散熱的目的。2、設計思想一般的大功率LED照明燈，往往采用傳統(tǒng)變壓器或電子開關電源降壓，然后用電阻限流或接恒流模塊的做法，生產的LED燈具多為球泡燈、玉米燈等，功率也較小，主要用作樓道照明或庭院燈。下面從幾方面介紹一下研制過程。(1)、光源的選擇LED半導體照明光源的光譜幾乎全部集中于

9、可見光頻段，光譜中沒有紫外線和紅外線，屬于典型的綠色照明光源，而且廢棄物可回收，沒有污染。具有使用壽命長、發(fā)光效率高、體積小、重量輕、環(huán)保安全可靠等優(yōu)點。LED半導體照明光源啟動電壓和工作電壓一致，使用中不需要鎮(zhèn)流器，控制極為方便，只要調整電流，就可以隨意調光。在路燈中，我們選取了大發(fā)光角度和功率的LED為照明光源，按照明用途使用恒溫板將大功率LED顆粒焊接在鋁基板上?？蓮V泛應用于公共場所及辦公照明場所的直管型LED照明燈，功率分別為9W、18W、24W；用于室內客廳、書房及臥室照明的環(huán)型LED照明燈，其功率為6W、9W、12W、24W；用于樓道、廚衛(wèi)的點陣型LED照明燈，其功率為3W、6W、

10、9W。在大功率LED產品中，1W顆粒LED效率最高，產品性能更穩(wěn)定，因此我們選用的大功率LED顆粒為臺灣晶元（Epistar）原裝芯片，電流350mA，電壓3.6V，亮度100lm，壽命50000h以上，色溫5500K-6000K（正白）。（2）、鋁基板鋁基板目前常用于LED照明產品。鋁基板有正反兩面，白色的一面是焊接LED引腳的，另一面呈現(xiàn)鋁本色，一般會涂抹導熱凝漿后于導熱部分接觸。鋁基板是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板，一般單面板由三層結構所組成，分別是電路層（銅箔）、絕緣層和金屬基層。用于高端使用的也有設計為雙面板，結構為電路層、絕緣層、鋁基、絕緣層、電路層。極少數(shù)應用為多層板，可以

11、由普通的多層板與絕緣層、鋁基貼合而成。LED鋁基板就是PCB，也是印刷線路板的意思，只是線路板的材料是鋁合金，以前我們一般的線路板的材料是玻纖，但因為LED發(fā)熱較大，所以LED燈具用的線路板一般是鋁基板，能夠導熱快，大功率LED表面貼裝在電路層，工作運行時所產生的熱量通過絕緣層快速傳導到金屬基層，然后由金屬基層將熱量傳遞出去，從而實現(xiàn)對器件的散熱。鋁基板選型，我們定做厚度為2mm的鍍錫單面鋁基板，完全可以滿足9W以下燈具的散熱問題，12W、18W和24W的燈具我們采用在鋁基板背面加裝鑄鋁散熱器，以達到必要的散熱面積。（3）、恒流電源LED是一個非線性器件,正向電壓的微小變化會引起正向電流的很大

12、變化！ 例如：3.3V時為20mA的LED，用三節(jié)干電池供電，新電池電壓可達4.5V，電流超過100mA，大了5倍，很容易燒毀LED器件。1W的大功率LED，如果正向電壓變化10%（從3.4V降低到3.1V）,會引起正向電流從350mA降低到100mA,變化3.5倍。LED的光輸出正比于正向電流，如果正向電流從350mA降低100mA,其光輸出就會減少70%之多。LED又是一個半導體二極管,它的伏安特性隨溫度而變化(-2mV/) 。假如用恒壓電源供電:溫度增加至85度,正向電流從20mA增加至35-37mA,而亮度不增加；溫度降低至-40度時,正向電流從20mA降低至8-10mA,亮度降低，所

13、以不能用恒壓源供電,而必須用恒流源供電。所有發(fā)光二極管無論其燈光顏色、尺寸大小或功率有甚不同，只要驅動的電流恒定不變，它們都能充分發(fā)揮其性能。發(fā)光二極管生產商都會列明產品的規(guī)格，例如，數(shù)據表上會列出產品在指定正向電流（IF）而非正向電壓（VF）驅動下的流明、光束波形及顏色。發(fā)光二極管的亮度隨電流的大小而不同，且制造出來的發(fā)光二極管，其電壓與電流曲線稍有差異，因而LED照明的亮度常隨電源電壓的變動而無法穩(wěn)定。為維持亮度穩(wěn)定一致，需要發(fā)光二極管恒流驅動器來實現(xiàn)。恒流驅動器可以使得發(fā)光二極管工作在固定電流模式，因而亮度穩(wěn)定性高。恒流驅動器也讓發(fā)光二極管長期工作在一定電流下，使其維持較長壽命。我們經過

14、對比試驗和測試，選用了隔離型(符合安規(guī)要求)交流電源直接輸入系統(tǒng)整合的ACDC轉換LED恒流驅動電源。（4）、燈罩燈罩可以按照用戶的喜好進行選擇，也可以保留原有燈罩，只升級更換光源。三、技術方案本項目運用半導體大功率白光LED，研發(fā)出的用于室內照明的LED節(jié)能燈，采用直管型、環(huán)型和點陣型LED照明燈直接替換室內傳統(tǒng)光源，以滿足室內高亮度、廚衛(wèi)及裝飾照明要求。燈具原理示意圖AC220VDC310mA-900mAAC/DC轉換LED恒流電源1-3WX顆LED鋁基板光源技術關鍵是大功率LED照明的恒流驅動控制電源的可靠性和大功率LED滿負荷工作的散熱問題。1、恒流電源LED由于環(huán)保，壽命長，光電效率

15、高等眾多優(yōu)點，近年來在各行業(yè)得以快速發(fā)展，LED的驅動電源也成了關注的熱點，理論上LED的使用壽命在10萬小時以上，但在實際應用過程中，由于驅動電源的設計及驅動方式選擇不當，使LED極易損壞，隨著LED應用的日益廣泛，LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。LED驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發(fā)光的電壓轉換器，通常情況下：LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的輸出）等。而LED驅動電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。LED驅動一般特性要求（1）高可靠性：特別像LED路燈的驅動電

16、源，裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。（2）高效率：LED是節(jié)能產品，驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升,對延緩LED的光衰有利。 （3）浪涌保護： LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網負載的啟用和雷擊的感應，從電網系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。（4）保護功能

17、： 電源除了常規(guī)的保護功能外，最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過高。（5）驅動電源的壽命：要與LED的壽命相適配。LED恒流電源工作原理交流輸入整流濾波功率變換整流濾波穩(wěn)壓電路恒流輸出取樣電路光耦反饋電路PWM控制電路開關管電路控制電路 本電源的主要電路是由整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路、反饋電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。交流電經過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的直流電壓。通過光耦檢測輸出電流并通過改變輸出脈沖占空比達到控制輸出電流相對恒定的目的。由于本設

18、計是采用恒流源驅動，故采用目前應用較為廣泛，廉價且性能比較穩(wěn)定的驅動芯片PT4201。PT4201是一款工作于電流模式、可驅動1W至30W照明或射燈的高亮度LED驅動控制器，適用于1W至30W的各種LED照明和射燈應用，包括E27、PAR30、PAR38等?；赑T4201的隔離式光耦反饋的高亮度LED驅動系統(tǒng)具有恒流精度高、外圍電路簡單、無閃爍和EMI輻射低的顯著優(yōu)點。在正常工作狀態(tài)下控制器的振蕩頻率可以通過外部電阻精確設定。同時，PT4201的前側消隱電路幫助克服外部功率器件開啟瞬間的電壓毛刺，能有效避免控制器的誤動作造成的LED燈閃爍。內部集成的電流斜率補償功能提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。PT42

19、01提供完善的保護功能以提高LED照明系統(tǒng)的可靠性，包括逐周期過流保護（OCP）、VDD過壓保護（OVP）以及VDD欠壓保護（UVLO）等。OUT輸出脈沖高電壓被嵌制在18V保護外部功率MOS。短路保護功能防止LED負載短路時損壞系統(tǒng)。PT4201集成了多種增強功能，并以其極低的啟動和工作電流、多重保護功能為大功率LED照明驅動提供了性能優(yōu)良可靠的低成本解決方案。PT4201恒流驅動電源性能參數(shù)輸入電壓和輸出電流關系2、LED光源大功率LED作為第四代電光源，賦有“綠色照明光源”之稱，具有體積小、安全低電壓、壽命長、電光轉換效率高、響應速度快、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)良特性，必將取代傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈

20、和熒光燈而成為21世紀的新一代光源。LED大功率市場現(xiàn)在基本上分為兩大類：普通大功率LED和集成型大功率LED兩種。而普通型大功率LED分為單色光與RGB全彩兩種，集成型大功率LED一般均為單色，RGB全彩的極少。大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝相容性及降低生產成本而言，LED封裝設計應與晶片設計同時進行，即晶片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則，等晶片制造完成后，可能由于封裝的需要對晶片結構進行調整，從而延長了產品研發(fā)周期和工藝成本，有時

21、甚至不可能。另外，實驗室內led光源達到的光效，不表示目前現(xiàn)有產品的光效，它還要解決生產工藝等一系列問題才能變成批量產品。因此它代表的是未來產品的光效。其次，低顯色指數(shù)產品的光效，不代表高顯色指數(shù)產品的光效。有些廠家在宣傳其產品的時候，說產品的光效達到多少流明瓦，是顯色指數(shù)比較低的led光源的數(shù)值，高顯色指數(shù)的led光源達不到所宣傳的數(shù)值。還有，目前的led光源，高色溫光源比低色玩光源的光效高，5600K的led比3200k的led光效高。了解led的這些特點，便于正確選購所需要的產品。綜上所述，我們選用臺灣晶元（Epistar）原裝芯片大功率LED，電流350mA，電壓3.6V，亮度100l

22、m，壽命50000h以上，色溫5500K-6000K（正白）。3、散熱鋁基板是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板，一般單面板由三層結構所組成，分別是電路層（銅箔）、絕緣層和金屬基層。用于高端使用的也有設計為雙面板，結構為電路層、絕緣層、鋁基、絕緣層、電路層。極少數(shù)應用為多層板，可以由普通的多層板與絕緣層、鋁基貼合而成。LED鋁基板就是PCB，也是印刷線路板的意思，只是線路板的材料是鋁合金，以前我們一般的線路板的材料是玻纖，但因為LED發(fā)熱較大，所以LED燈具用的線路板一般是鋁基板，能夠導熱快，其他設備或電器類用的線路板還是玻纖板！鋁基板（金屬基散熱板（包含鋁基板，銅基板，鐵基板）是低合金化的

23、Al-Mg-Si 系高塑性合金板（結構見下圖），它具有良好的導熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能，鋁基板與傳統(tǒng)的FR4（覆銅板） 相比，采用相同的厚度，相同的線寬，鋁基板能夠承載更高的電流，鋁基板耐壓可達4500V，導熱系數(shù)大于2.0，在行業(yè)中以鋁基板為主。功率器件表面貼裝在電路層，器件運行所產生的熱量通過絕緣層快速傳導到金屬基層，然后由金屬基層將熱量傳遞出去，從而實現(xiàn)對器件的散熱與傳統(tǒng)的 FR4 （覆銅板）相比，鋁基板能夠將熱阻降至最低，使鋁基板具有極好的熱傳導性能；與厚膜陶瓷電路比，它的機械性能又極為優(yōu)良。直管型燈具內部使用的是鋁基板燈條，功率在9W內直接使用自身鋁基板就可滿足散熱要求，功率

24、超過9W，需要利用自身鋁基板和鋁合金背板散熱。環(huán)型燈具根據不同功率選擇安裝不同尺寸的環(huán)型鋁基板光源，光源功率超過12W,在鋁基板背面加裝鑄鋁散熱器，以達到必要的散熱面積，同時散熱器通過螺絲與燈具金屬底板連接，使熱量通過燈具金屬底板散發(fā)到空氣中。點陣型燈具可由多條直管型或多個環(huán)型鋁基板光源構成，以組合出功率更大的照明光源。同時可以由圓形、方形鋁基板組成點陣光源，用以制作球泡燈、射燈和地燈等，以適應多種場合的需要。4、主要技術經濟指標指標類型計劃指標完成后指標LED功率3W18W3W36W發(fā)光效率95Lm/W100Lm/W散熱方式9W以下鋁基板；9W以上鋁基板與鑄鋁組合色溫暖白3000K-5500

25、K 正白500K-6000K冷白6000K-7200K暖白3000K-5500K 正白5500K-6000K顯色性Ra75Ra80輸入電壓范圍AC85V265VAC85V265V工作效率0.850.9恒流精度4%4%隔離性LED恒流電源環(huán)形LED光源鋁基板點陣型LED光源鋁基板直管型LED光源鋁基板直管型LED光源燈殼四、工藝流程1、LED恒流電源定制、測試流程根據燈具技術指標選擇合作廠家定制樣品-測試合格-批量定制-驗貨-實驗室測試指標-合格-老化24小時-登記入庫。2、鋁基板LED光源生產工藝流程（在防靜電車間生產，工人不能穿化纖等易產生靜電的衣服，進入車間前洗手清除身體靜電，坐上工作臺及時帶好防靜電腕帶）庫管處領料 - 核對 - 點錫槳-放LED-檢查 - 恒溫焊臺焊接 - 目測檢查 - 通電 - 檢查工作電流 - 老化24小時 - 檢驗合格- 登記入庫。3、燈具總裝工藝流程庫管處領料 - 核對數(shù)量 - 檢查恒流電源 - 鋁基板光源-組裝燈具 -連接線路 - 萬用表檢測- 通電 - 工作12小時 - 合格 - 出廠。五、關鍵技術及創(chuàng)新點運用半導體大功率白光LED，研發(fā)用于室內照明的LED節(jié)能燈。采用直管型、環(huán)型和點陣型LED照明燈直接替換室內傳統(tǒng)