高亮度LED球泡灯研制及其温升分析

季国顺 邵琛

(杭州电子科技大学机械电子工程研究所，杭州 310018)

1 引言

照明灯先后经历了白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯三个发展阶段，而新兴的发光二极管［1］，即LED则被认为是第四代光源［2］。使用中，单个LED所处环境及其内部发热量对其使用性能有重大影响，研究表明输入LED的电能约85%被转化为热能［3，4］，所以在LED结区会产生很高的热量，与小功率LED相比，高亮LED球泡灯所用的大功率LED［5］，其结区产生的热量更高［6］，结区高的温升会减小LED光输出、缩短其寿命、使光源颜色发生偏移［7，8］。由于单只 LED的光通量较小，为获得与白炽灯或荧光灯相当的光照度，球泡灯这类高亮LED一般是由多只 LED构成的 LED阵列［9］，因此会在LED结区产生更高的温度，LED阵列工作环境良好的热结构设计可以有效地降低阵列LED结区温度，提高其使用性能。LED阵列的结温受到环境温度和多个芯片之间复杂的相互作用影响［10］，因此理论分析LED球泡灯的发热特性往往比较复杂。

与世界LED灯产业比较发达的地区相比，国内LED开发技术还比较落后［11］。本文开发了一种高亮LED球泡灯基本结构，并采用仿真和实验的方法，分析了所研制的球泡灯发热特性。文中的工作旨在推动我国高亮LED灯研制水平。

2 LED球泡灯结构设计

LED球泡灯的结构主要包括:透光罩、基板、散热器、灯头连接件等。图1是研制的球泡灯的构成部分，其具体的装配结构如图2所示。各个结构都有各自的功能，对于不同功能的结构件，应当选用合适的材料，下面简要介绍各结构件的作用，并选择所研制的球泡灯各零部件的材料。

图1 球泡灯基本构成

基板的功能在于导电、绝缘和支撑LED三个方面。目前工艺上采用的基板主要有印刷短路板(FR4)和铝基板。因为LED是LED球泡灯的主要发热部件，而基板又是直接与LED接触的部件，所以需要尽量选择导热性能优良的材料作为基板。此处采用传热性能优良的铝质基板，以便能够顺利地将热量从LED传至散热器。

图2 球泡灯装配结构

透光罩应隔绝LED与外界联系，防止灰尘或者其他腐蚀性物质接触LED光源而影响其使用，同时又应具有较高的透光率以尽可能地透过LED发出的光线。目前一般采用玻璃和PC板作为透光罩的材料，因玻璃脆而易碎，不便于与其他部件装配，因此此处采用PC板作为透光罩材料。

散热器用于迅速散发LED产生的热量，因此需选用导热性能比较理想的材料。铝、铜、银等材料具有良好的导热性能，考虑到选材的技术经济性，此处采用铝材作为散热器材料，因铝的导热性好，经过表面阳极氧化处理后，又可提高其辐射系数，从而增强其辐射散热能力，且价格便宜。

灯头连接件应与市场上标准灯头相配合，主要起连接部件的作用，需要其具有优良的绝缘性能和一定的机械强度，此处采用PC作为球泡灯灯头连接件材料。

3 LED球泡灯驱动电路设计

目前LED均采用直流驱动，因此在市电与LED之间需要LED驱动电源，把交流电转换成适合LED的直流电。因为不同规格LED驱动电源的性能和转换效率不同，低效率LED驱动电源自身要消耗大量电能而无法凸显其节能的特点，所以选择合适、高效的LED驱动电源，才能真正展现LED光源高性能的特性。按照驱动方式，LED电源可以分为恒流式和稳压式［12］。

LED的发光密度与其正向电流基本成正比例关系，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。温度不变时，控制LED的正向电压就可以控制其正向电流，从而控制其发光亮度;当温度改变时，LED的正向电流也会随温度变化，从而引起LED的发光亮度的变化［2］。因为高亮 LED工作时，随着温度上升，LED两端的压降会下降，难以实现恒压供电，所以要控制高亮LED的发光密度，驱动器必须提供准确恒定的电流源，即采用恒流源驱动LED。

采用Flyback工作原理研制驱动电路，整个驱动电路分为整流滤波电路、变压器电路、恒流电路、去电压尖峰电路和过压保护电路五个部分，图3是所研制的球泡灯的驱动电路，Flyback降压电路及恒流电路则分别如图4和图5所示。整流滤波电路将交流电变换为脉动直流电;变压器电路为LED提供稳定的工作电压;恒流电路消除正向电压变化所导致的电流变化;当开启驱动电路时，去电压尖峰电路可滤去开启时的尖峰电压，提高整个电路的稳定性;当LED两端电压偏高时，三极管MMBT4401开通，使通过其的电流增大，减小Q2集电极对地压降，通过负反馈，减小占空比从而减小LED两端电压，起到对LED的过压保护。所研制的LED球泡灯，最终工作电压10.17V，工作电流355mA，驱动器效率76.8%。

图3 球泡灯驱动电路

图4 Flyback降压电路

图5 恒流电路

4 球泡灯发热仿真及实验分析

4.1 球泡灯发热仿真

内置于SolidWorks软件中的 Flow Simulation程序，可方便地进行结构中的液流仿真和热分析。使用Flow Simulation仿真分析时，不需要对所设计的结构作任何修改，就可分析结构内流场的计算流体力学 (CFD)问题，利用它的CFD分析功能，可仿真真实条件下液体和气体流动，可以分析高温表面之间的热量传递和辐射传热。研制的LED球泡灯，选用Flow Simulation分析其工作时，铝基板及其外表面的温度，从而分析LED阵列工作环境的发热及散热情况。

建立的LED球泡灯模型结构比较复杂，零件数较多，直接对其进行仿真，需要处理的数据量大，仿真时间较长，影响仿真效率，因此在进行仿真之前，可以对所设计的结构进行处理，简化一些较为复杂的曲面及去掉那些对仿真结果影响不大的零部件，以尽量简化仿真模型，提高仿真效率。LED球泡灯仿真简化模型如图6所示，去掉了原模型中4个M3螺钉，将驱动器简化为一个圆柱体，并将LED和铝基板简化成一块铝板。

图6 球泡灯热仿真简化模型

仿真分析时，对所研制的LED球泡灯，依次建立材料库，编辑材料物理特性参数，选择国际单位制，确定本次仿真需要考虑的传导、对流、辐射三种散热方式，选择球泡灯LED阵列所处空间的介质为空气，设置环境和零部件的初始温度，确定仿真区域和选择零部件的材料，设置热源和驱动器的功率，最后运行Flow simulation程序，经过1小时6分钟后，得到了所设计的球泡灯LED阵列发热及其工作空间的热温度场分布。图7设置了铝材物理特性参数，确定仿真区域如图8所示，图9则给出了热仿真结果。

图7 设置铝材物理特性参数

图8 确定球泡灯仿真区域

图9 球泡灯热仿真结果

4.2 球泡灯发热实验研究

为验证温度仿真结果的准确性，进一步实验测试该球泡灯稳定工作时温度分布，并与仿真结果作对比。本实验主要仪器为热电偶测温仪、灯头座。热电偶是用两种不同成份的导体焊接在一起，两端温度不同时，在回路中就会有热电势产生，实验中温度探头分布如图10所示，图11及图12则分别为温度测试情况及稳定工作时铝基板温度测试结果。表1对照了LED球泡灯上同一温度测点仿真及实验结果。

图10 温度探头所在位置

图11 进行温度测试

图12 热电偶测温仪示数

表1 温度仿真及实验结果对照

由表1可见，温度仿真结果与实验结果基本吻合，但温度仿真结果要偏高，原因在于，(1)仿真时，取零部件之间直接理想接触，因此零部件之间的热阻较小;(2)铝散热器外表面进行过烤漆处理，相比仿真时取铝散热器与空气直接接触，实际增加了其与空气之间的热阻;(3)实验仪器本身存在系统误差。

5 小结

研制了一款替代白炽灯的LED球泡灯，分别设计该球泡灯的结构和驱动电路，使用了Flow simulation热仿真该球泡灯的发热情况，并进行了相应的实验。仿真及实验结果均表明，稳定工作时，所设计的LED球泡灯的铝基板温度低于50℃，表明该球泡灯具有良好的热结构及散热性能，因此所研制LED球泡灯可满足高亮照明的使用要求。

［1］胡建人，秦会斌，王卉等．我国LED照明工程技术与发展策略研究 ［J］．仪器仪表学报，2007，28(4增刊):196～199．

［2］单英艳．高亮LED驱动电路的设计研究 ［D］．西安:西安电子科技大学，2009．

［3］Yung K C， Liem H， Choy H S， et al． Thermal performance of high brightness LED array package on PCB［J］． International Communications in heat and Mass Transfer，2010，37(9):1266～1272．

［4］韩磊磊．大功率白光LED器件及照明灯具的热设计与光设计 ［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008．

［5］潘文捷．高压高效率白光LED驱动电路的研究与设计［D］．杭州:浙江大学，2008．

［6］韩磊磊，王春青，田艳红．一种白光LED投射灯组装结构的热设计 ［J］．电子工艺技术，2008，29(5):254～255，261．

［7］刘向，马小军，臧增辉．LED隧道灯的应用分析［J］．照明工程学报，2009，20(增刊):80～82．

［8］Chen H，Lu Y，Gao Y，et al．The performance of compact thermal models for LED package［J］．Thermochimica Acta，2009，488(1～2):33～38．

［9］刘有源，方福波，陈定方．高亮度LED在绿色照明工程中的应用研究 ［J］．武汉理工大学学报 (交通科学与工程版)，2003，27(2):215～218．

［10］Kim L，Choi J H，Jang S H，et al．Thermal analysis of LED array system with heat pipe［J］．2007，455(1～2):21～25．

［11］李军伟．LED的驱动电路研究 ［D］．大连:大连理工大学，2007．

［12］周志敏，纪爱华．白光LED驱动电路设计与应用实例［M］．北京:人民邮电出版社，2009:65～66．