LED球泡燈市場分析與各類球泡燈電源方案對比

1、LED球泡燈市場分析與各類球泡燈電源方案對比LED球泡燈全面取代白熾燈的時代即將到來 進入2011年以后，LED逐漸向室內(nèi)照明進軍，這也意味著開始向民用家庭進軍。一方面這是一個大喜事，因為民用的市場是非常之大；另一方面也是一個極為嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，因為民用市場要求成本特別低，可靠性特別高?，F(xiàn)在離開完全滿足民用市場的要求還很遠，可以說還有很長的路要走。 最普通的民用燈就是白熾燈，也就是我們普通用的燈泡。所以如果LED要取代白熾燈泡，就要開發(fā)出一種無論在燈頭形狀還是外型上都和白熾燈泡類似的燈泡，這就是我們通常稱為LED球泡燈?？梢韵胂?，球泡燈的市場是十分巨大的。一對LED球泡燈的要求因為要替換白熾燈，所

2、以至少要有以下幾方面的要求：1.亮度要相當(dāng) 白熾燈通常只講瓦數(shù)而不講流明數(shù)。LED雖然也可以只講瓦數(shù)，但是由于LED的光效還在不斷發(fā)展，只說瓦數(shù)并不能代表其流明數(shù)。白熾燈最常用的瓦數(shù)有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要講流明數(shù)，那么可以用白熾燈的發(fā)光效率來計算。白熾燈的發(fā)光效率在7.5-12lm/W。瓦數(shù)越大效率越高。所以上面列出幾種瓦數(shù)的白熾燈的相對流明數(shù)可以列表如下： 如果采用LED來取代，也可以得出相應(yīng)的瓦數(shù)。但是因為LED的發(fā)光效率在不斷攀升，所以很難給出準(zhǔn)確的數(shù)字。假定采用目前通常的LED1，其光效為100lm/W，假如采用最高光效的LED2，其光效為130l

3、m/W（暖白的光效會低于此值）。就可以得出對這兩種光效LED相應(yīng)的瓦數(shù)來。但是因為LED需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定為85%，另外因為LED不可能采用透明泡殼，而只能采用乳白泡殼。其透光率大約為85%。二者相乘等于0.72。.考慮以上因素以后就可以得出和白熾燈相當(dāng)?shù)耐邤?shù)來。由表中可見，LED2在同樣亮度時大約可以節(jié)省10倍的功率。有一點需要特別說明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來說，它還不可能做到10瓦以上，也就是說目前還只有可以取代60-75W白熾燈的LED球泡燈。當(dāng)然PAR燈就另當(dāng)別論了（后面將討論）。2.外形要類似 通常白熾燈為梨形的，所以LED球泡燈也應(yīng)當(dāng)為梨形的。這

4、點是很容易做到。但是白熾燈為全玻璃制品，LED因為要散熱就很難采用全玻璃的結(jié)構(gòu)。下面會詳細討論LED球泡燈的結(jié)構(gòu)。3.體積大小要相當(dāng)，因為LED需要恒流源和散熱器，所以這是非常難做到的4.重量要相當(dāng)，同樣因為LED需要恒流源和散熱器，所以這也是非常難做到的5.燈頭要相同 中國過去大都是采用卡口式，改革開放以后大都改用和美國一樣的螺口式。就是美國的E26或E27。這點也還是很容易做到的6.電源要相同，都應(yīng)該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒問題的二LED球泡燈的結(jié)構(gòu)LED球泡燈可以分為外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們先來看一下它的外部結(jié)構(gòu)。一個典型的LED球泡燈的外形如圖1所示（這是作者最

5、近在美國硅谷Frys電子商店上看到的最大功率的LED球泡燈，價$40）： 圖1. LED球泡燈的外形這是一個5W的LED球泡燈，全長13cm，散熱器長5cm，直徑4.5cm，泡殼長5.2cm，直徑5.5cm，重量114克。它大約可以取代45W的白熾燈。其外部結(jié)構(gòu)主要包括3個部分，一個是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內(nèi)部結(jié)構(gòu)則主要是2部分，一是恒流驅(qū)動電源，二是LED燈板（包括鋁基板和LED）在內(nèi)（圖2）。 圖2. 球泡燈的構(gòu)成下面分別來討論這幾個部分的構(gòu)成。三球泡燈的電源 因為球泡燈都是用市電供電，所以電源也必須是市電交流輸入的，英文稱為Off-Line，有把中文譯成離線式是很不恰當(dāng)?shù)模驗橛?/p>

6、文原意是From Line的意思，應(yīng)該譯成在線，但又會和網(wǎng)絡(luò)的在線相混，所以不如就直接稱為市電式電源。球泡燈的市電式電源基本指標(biāo)如下：1.電源基本類型：主要分隔離式和非隔離式兩種，那是指負載端是否與火線220V隔離。一般說，非隔離因為不需要隔離變壓器，所以成本低，但要求鋁基板耐壓高，否則散熱器就有可能帶電。所以比較不容易通過安規(guī)檢驗。隔離式就比較安全，比較容易通過安規(guī)，但成本高。2.電源輸出功率：因為球泡燈的體積大小必須和玻殼的白熾燈相當(dāng)，所以散熱器大小有限，目前還不能超過9W。3.電源效率：一般隔離式在80-85%左右，非隔離式在90%左右4.電源功率因數(shù)（PF）：不加PF校正在0.5-0.

7、6,加PF校正在0.9-0.99左右5.體積大?。河捎谇蚺轃袅艚o電源的空間很小，所以體積的限制很嚴(yán)。下面來介紹幾種典型的球泡燈電源。3.1非隔離式電源下面是一個采用美國安森美NCP1014的非隔離式電源原理圖（圖3）圖3. 非隔離式電源原理圖這個電源的基本指標(biāo)如下： 圖4. NCP1014LEDGT外形圖 其實這個電源的核心就是一個恒流二極管NSI45025，以確保LED恒流在25mA。所以它只能用于小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實際上是一個有源式的功率因數(shù)校正（PFC），可以把它的功率因數(shù)提高到0.9以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2是一個防電磁干擾E

8、MI的濾波器。它的缺點是非隔離，所以220V會直接加到負載LED上。其實假如不要求功率因數(shù)的話，那么采用恒流二極管(CRD)的電源方案可以做得很簡單（圖5）。 圖5. 最簡單的采用恒流二極管的球泡燈電源這種電源的功率因數(shù)大約在0.5-0.6之間。因為電路簡單，所以體積可以做得很小，而且成本很低。3.2隔離式電源為了提高安全性，最好采用隔離式電源，這樣就多了一個隔離變壓器，增加了體積、成本，降低了效率。圖6是一個采用iWatt公司iW3610的反激式隔離電源電路圖。其實這個芯片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分類似。 圖6. 采用iW3610 的隔離式電源的電路圖其主要技術(shù)指標(biāo)如下

9、表所示： 這個電路還可以自動檢測墻上有無可控硅調(diào)光器，如果有的話就可以調(diào)光，其調(diào)光范圍可以從2%調(diào)到100%。而且最后采用了PWM調(diào)光，調(diào)光頻率高達900Hz，因此避免了閃爍。另外由于采用了準(zhǔn)諧振控制使其總效率高達85%。它還有一個特點是采用變壓器初級反饋從而取消了光耦合器件。它的外形圖如圖7所示。其外形是專門為球泡燈而設(shè)計。 圖7. iW3610的演示板四球泡燈的散熱器球泡燈的LED通常焊接在一塊鋁基板（LED底板）上，這塊鋁基板再和一片圓形鋁散熱板固定，然后再把這塊鋁散熱板固定到散熱器外殼上去（見圖8）。 圖8. LED底板如何固定到散熱器上去 圖中的鋁散熱板上可以看出有精加工的痕跡。經(jīng)過

10、精加工以后LED底板就可以直接固定上去，否則的話，二者之間會有氣隙，需要涂覆硅導(dǎo)熱膠以改善導(dǎo)熱。 球泡燈由于體積的限制所以散熱是一個大問題。無論是哪種散熱器都是只能依靠對流和輻射兩種方法來把熱量散發(fā)到空氣中去，而這兩種散熱的能力都是和它的散熱的面積成正比。而球泡燈的散熱面積可以如下計算。假定其散熱器可以近似為一個截去尖頂?shù)膱A錐體。假定大圓錐體的高度為H，直徑為D，而截去的小圓錐體的高度為h，直徑為d。 圖9 截頂?shù)膱A錐體 圓錐體的側(cè)面積為HD/2，所以截去一個尖頂以后的側(cè)面積是HD/2-hd/2=(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么這個截頂以后的側(cè)面積就

11、是48.7cm2，可近似為50平方厘米。而因為大多數(shù)散熱器都開了溝槽，以增加其散熱面積，開溝槽以后所增加的散熱面積為溝槽深度g乘長度l再乘2，再乘以溝槽數(shù)。假定溝槽平均深度為0.3cm，長度為5cm，溝槽數(shù)為46個，那么開溝槽以后增加的面積為0.3x5x2x46=138. cm2。總計散熱面積為188 cm2。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，每瓦所需要的散熱面積大約在35-60 cm2。具體要多大取決于環(huán)境溫度和允許的升溫。因為球泡燈大部分是用在室內(nèi)，環(huán)境溫度不是很高，所以可以采用35 cm2/W。所以188 cm2的散熱面積可以散大約5.3W左右。不過這只是極為粗略的估計，可以得到一個數(shù)量級的概念而已。真正的

12、散熱情況還是要實際測定才可以。 日本的技術(shù)在線拆解了幾種LED球泡燈。并實測了其泡殼溫度，結(jié)果如下表所示：因為室溫是相同的， 表10 幾種球泡燈的外殼溫度 表中的球泡燈功率從7.5W到4W。溫升最低的是4W球泡燈，其外殼溫度為38度。溫升最高的為東芝照明的7.2W球泡燈，其表面溫度高達61度。這是因為東芝的球泡燈散熱器沒有開槽溝的緣故。所以不開槽溝的散熱器，雖然表面光滑，外形好看，但其散熱效果會差很多。而表面溫度越高，在同樣的系統(tǒng)熱阻和功耗情況下，LED芯片的結(jié)溫也越高，LED的壽命就越短。 由于球泡燈散熱器面積的限制，所以很難散熱超過7-9W。根據(jù)目前的LED光效，它的流明數(shù)也就相當(dāng)于60W

13、白熾燈。隨著以后LED光效的逐年提高，相信會出現(xiàn)同樣大小而能取代100W的白熾燈。 散熱器的材料目前大多數(shù)采用鋁合金，因為成本低廉，加工容易，而且導(dǎo)熱性好。但是最近出現(xiàn)了很多絕緣的塑料散熱器和陶瓷散熱器，其散熱效果也不差。因為最后的散熱主要靠對流和輻射。而對流完全由其形狀和面積決定。輻射則和材料的輻射性有關(guān)。各種材料的熱輻射系數(shù)如下表所示： 由表中可見，氧化處理是改進金屬材料的輻射散熱的重要途徑。而導(dǎo)熱塑料則不需要任何氧化處理就可以達到極高的輻射系數(shù)。因此只要其外形和金屬散熱器一樣，那么其對流和輻射的效果是和金屬散熱器的效果是相同的。但是其熱傳導(dǎo)性能肯定不如金屬，所以整體散熱效果會差一些。但是

14、如果把它做得盡可能薄，再加上一層金屬的內(nèi)壁，就可以把這個熱傳導(dǎo)低的不利因素降至最低。現(xiàn)在已經(jīng)有導(dǎo)熱系數(shù)大于20 w/mk的塑料，但是其單價比較高。陶瓷散熱器的情況和塑料散熱器情況一樣。只是其導(dǎo)熱系數(shù)可以做得更高，當(dāng)然成本也要高很多。圖10是上海龍茂微電子公司的6W塑料外殼球泡燈。它的散熱器溫度為67度。 圖10 一個6W的塑料散熱器LED球泡燈 塑料和陶瓷的最大優(yōu)點是絕緣，所以即使采用非隔離電源也容易通過安規(guī)檢驗。 此外，為了改善泡殼里恒流驅(qū)動電源的散熱，通常都要加入導(dǎo)熱密封膠，以取代導(dǎo)熱差的空氣。還有一種方法是在散熱器上打孔，以便空氣的流通。但是就會有防水的問題。五球泡燈的泡殼 所謂泡殼就是

15、指前面透明的玻殼。在白熾燈中，全部都是由玻璃做成的外殼，但是在球泡燈中，雖然也可以用玻璃做前面的外殼，實際上也是有這樣做的。但是因為LED球泡燈重量很重，要比白熾燈重5倍以上，如果用玻璃做的話，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的LED球泡燈采用塑料做泡殼，以防摔壞。而且LED球泡燈因為熱量都從散熱器散出去了，所以通過泡殼的光大都是可見光，很少有發(fā)熱的紅外線，所以采用塑料來做泡殼也不會由于過熱而損壞。但是塑料外殼的最大問題是透光率的問題。因為LED存在眩光的問題，所以盡可能采用乳白色的泡殼，以免看到里面的LED燈珠。而乳白色的泡殼。其透光率就更成問題了。所以對于用于LED球泡燈泡殼的塑料

16、有以下要求：1.具有高透光、高擴散、無眩光、無光影；2.光源隱蔽性要好（盡可能看不到LED燈珠）；3.透光率達到90以上；4.具有高阻燃性；5.具有高抗沖擊強度；現(xiàn)在國內(nèi)有一種稱為智光LED光學(xué)燈罩的據(jù)說可以實現(xiàn)所有以上要求（圖11）。 圖11 各種LED塑料泡殼 假如真的可以實現(xiàn)94%的透光率，而且還能防眩光，無光影，那么真的是十分理想的了。其外觀圖如圖12所示。 圖12 智光LED光學(xué)燈罩的外觀圖六幾種品牌LED球泡燈下面列出了幾種市面上批量生產(chǎn)的品牌LED球泡燈的實測結(jié)果 可以注意到一個60W的玻殼白熾燈重量只有28g。要比這些LED球泡燈輕5倍左右。另外表中的發(fā)光效率不是LED本身的發(fā)

17、光效率，而是指整個球泡燈的發(fā)光效率，其中包括了電源的效率和光罩的透光率。所以，要能達到100lm/W的整體光效還有一段路程要走。LED PAR燈 PAR燈實際上是飛利浦公司的一種大功率鹵素?zé)舻囊?guī)格，飛利浦把它稱為“氯銨燈”。但是這個名字并沒有得到推廣。一般稱為“筒燈”或者“射燈”。而射燈主要是指那種具有MR16插座的燈，所以我們暫時還稱它為PAR燈或筒燈。因為要和這種PAR燈兼容，所以大功率LED PAR燈就也采用和PAR燈相同的尺寸。只是結(jié)構(gòu)不同，瓦數(shù)不同，亮度不同。飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖如圖13所示。而相兼容的LED的PAR燈，其外形尺寸和他們完全相同（圖1

18、4）。 圖13. 飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖圖14 和PAR20、PAR30、PAR38相對應(yīng)的LED筒燈 采用LED以后，由于沒有統(tǒng)一的規(guī)格，所以具有各種不同的性能指標(biāo)，現(xiàn)在選擇其中比較典型者和原來飛利浦鹵素?zé)舻闹笜?biāo)比較如下表所示。 其中光強指標(biāo)二者所用的單位不同，飛利浦采用cd（燭光），而通常LED則采用lm（流明）。二者的關(guān)系如下：（流明）=4I（燭光）。但是因為二者的發(fā)射立體角不同，所以無法換算。只能大致說，鹵素?zé)舻陌l(fā)光效率大約為17-33 lm/W。而LED的發(fā)光效率在100-130lm/W。約比鹵素?zé)舾?-6倍。 PAR燈和球泡燈的結(jié)構(gòu)基本相同，只是體積

19、大一些，瓦數(shù)大一些。因此要求的電源功率也要大一些。 今年2月美國凌特公司宣布了一個用于LED恒流驅(qū)動的IC（LT3799），它可以驅(qū)動4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關(guān)管，反激隔離式而不需要光耦合器，外置元件減到最少，而且還可以用于可控硅調(diào)光。 圖15 可用于高功率LED PAR燈的反激式隔離型恒流電源這個電路圖是一個給24瓦PAR燈用的演示板的電路圖。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：它的演示版的布置圖如圖16所示。具體應(yīng)用時當(dāng)然也可以設(shè)計成圓形。 圖16. LT3799的演示版 這個市電恒流源因為功率大，而且可以適應(yīng)4-100W的寬功率范圍，所以一定是采用外置MOS開關(guān)管，而且也因為功率大，所以要求采用功率因數(shù)校正（PFC）。對于不同的功率，除了要選擇不同的MOS管外，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個恒流源的體積和重量，降低了效率。但是這是為隔離市電所必需的。八LED球泡燈的市場前景 據(jù)有關(guān)方面估計，LE