大功率led筒灯设计毕业设计论文

皖 西 学 院 本科毕业论文（设计） 论 文 题 目 12w 大功率 LED 筒灯设计 姓名（学号）（2009011687） 系 别机械与电子工程学院 专 业电气工程及其自动化 导 师 姓 名董海燕 翁志远 二 一 三 年 六 月 I 12w12w 大功率大功率 LEDLED 筒灯设计筒灯设计 作 者王 指导教师董海燕 翁志远 摘要：摘要：近年以来随着半导体材料生长技术与器件封装工艺的进步，大功率 LED 灯的发光效率及可靠性得 到了很大的提高。但是由于 LED 的外观，驱动电路的设计，发光特性和透镜的选择等与传统灯源不同， 使得现有的供电和照明系统无法完全适用于 LED。所以如何对 LED 灯进行外形，驱动电路，透镜选择等光 学系统，散热，结构的设计，对发挥大功率 LED 灯的潜能，促进整个半导体照明产业的发展以及促进人 民生活质量的提高具有不可或缺的作用。 本文首先介绍了LED灯的概念，原理，实质及照明灯具产业的发展现状及意义，阐述了照明理论与灯 具设计基础；针对12w大功率LED筒灯驱动电路的以及其他的设计，本文采用比较，思考，分析，计算的 方法，不断进行修改，不断进行改进，最终在满足12w大功率以及确定外观，散热，透镜等的设计的条件 下尽可能达到经济简单，为大功率LED筒灯产业的更进一步发展，做出自己的贡献。 关键字：关键字：大功率 LED 筒灯 设计 Design of 12w high power LED lamp Abstract:In recent years with the development of semiconductor material growth technology and device packaging technology advances, the luminous efficiency and reliability of high-power LED lamp has been greatly improved. But because of the appearance LED, driving circuit design, different luminescence characteristics and the selection of lens and traditional light source, the existing power supply and lighting system can not be fully applicable to the LED. So how to LED lamp shape, drive circuit, the selection of lens optical system, cooling, structure design, the use of high-power LED lamp potential, promote the development of semiconductor lighting industry and has an important role to promote the improvement of quality of life.LED downlight is embedded into the ceiling light beam lighting. This paper first introduces the concept of LED lamps, the principles, development status and significance of essence and lighting industry, expounds the theory basis of lighting and lighting design; and then discusses the design idea of 12W high power LED tube light, according to the 12W high power LED lamp drive circuit and other design, this paper adopts comparative, thinking, analysis, continuous improvement, and ultimately to meet 12W high power as well as to determine the appearance, heat dissipation, reducing the manpower and material consumption, to make its own contribution. II Keywords: high power; LED; lamp; design 目录目录 引 言1 1 LED 的介绍 .2 1.1 LED 灯的简单概述 2 1.2 LED 灯的发展史4 1.3 与传统灯的差异 .4 1.4 LED 灯具的结构特征6 2 LED 筒灯的设计 .7 2.1 整体外观的设计 .7 2.2 驱动电路的设计 .8 2.2.1 传统 LED 驱动电路8 2.2.2 LED 的改进驱动电路 .10 2.2.3 电容降压的 LED 驱动电路的简单介绍.11 2.2.4 设计的驱动电路.13 3 LED 铝基板和散热器的设计 14 3.1 铝基板的介绍 14 3.2 LED 铝基板的分析.15 3.3 热分析 16 3.4 设计的铝基板 17 3.5 散热器的设计 19 3.5.1 散热器的介绍.19 3.5.2 散热器稳态温度场分析.19 4 LED 透镜 24 4.1 LED 透镜的材料种类.24 4.2 透镜的应用分类 24 4.3 LED 透镜规格分类.25 4.4 LED 透镜的设计与模具加工.26 4.5 设计的透镜 27 结论28 致谢29 参考文献：30 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 1 页 引引 言言 LED 日光灯作为一种光亮柔和而有效的光源在全世界很受欢迎，无论是在家居、商店、 办公室、学校、超市、医院、剧场，影楼，戏院还是在商业冰柜、广告灯箱、地铁、车站、 人行隧道、人防工程、夜市灯饰照明、公园等，只要需要照明的地方都可以见到 LED 日光灯。 传统的 LED 日光灯其电源的利用率并不理想：附加镇流器功耗较大，开启时需要辅助高压； 日光灯管内置的水银在废弃时无法处理，成为污染环境的公害。而且日光灯管的荧光粉在充 入日光灯管过程中，含有很多量的汞(水银)，所以日光灯管破裂后，跑出来的水银蒸气对人 体的危害较大。权威资料表明：汞蒸气达 0.04 至 3 毫克时会使人在 3 至 4 月内慢性中毒， 达 1.2 至 8.5 毫克时会诱发急性汞中毒，如若其含量达到 20 毫克，会直接导致动物的死亡。 第四代新型节能光源，LED 光源诞生之时即被用来做各类灯具的发光光源。0.07W 的白光 LED 草帽灯、食人鱼是最早被用在 LED 日光灯的发光灯条上的。 每个 LED 日光灯管使用数量不等，约 290-360 颗。而且现在新一代的 LED 日光灯发光灯 条使用从 0.06W 到 1W、显色为纯白、汗白、青白、暖白、冷白、的贴片 LED 平面光源。节 能省电是 LED 日光灯的最大特点。以 T8 日光灯为例，标称 36W 的荧光日光灯(CFL)，其附加 镇流器耗电 8W，工作时实际耗电 44W，照亮流明为 420lm，使用寿命 3 千小时。而同样规格 的 LED 日光灯，工作时实际耗电仅 16W，照亮流明为 550lm，使用寿命可达 3 万小时。然而 与传统的照明系统不同，由于传统的技术还不够成熟，目前大功率的 LED 筒灯的制作数量不 是很多，特别是大功率 LED 筒灯驱动电路的设计，总是很难达到既经济又简单，本文中主要 阐述了大功率 LED 筒灯驱动电路、外形、结构、散热等的设计，论述了自己的观点，在满足 大功率的条件下，尽量满足经济简单的要求。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 2 页 1 1 LEDLED 的的介绍介绍 1.11.1 LEDLED 灯的简单概述灯的简单概述 LED 是发光二极管（light emitting diode）英文的缩写。是一种固态的半导体元器件， 它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上， 一端是负极，而另一端连接到电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由 两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主要的地位，另一端是 N 型半导体，在 这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 P-N 结。当电流通 过导线作用到此晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就以光 子的形式发出一定的能量，这就是 LED 发光的原理。然而光的波长也就是光的颜色，是由形 成 P-N 结的材料所决定的。电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不 同颜色的光线，光的强弱还与电流有关。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于 一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等； 圆形灯按直径分为 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及 20mm 等。国外通常把 3mm 的发光二极管记作 T-1；把 5mm 的记作 T-1（3/4） ；把 4.4mm 的记作 T-1（1/4） 。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角更 小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （2）标准型。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，散射剂的量较大。按发光二极管的结 构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。按发光强度 和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度100mcd） ；把发光强度在 mcd 间的叫高亮度发光 二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA,而低电流 LED 的工作电流在2mA 以下（亮 度与普通发光管相同） 。LED 因其颜色不同,所以其化学成份不同。如：红色 ：铝-铟-镓-磷 化物；绿色和蓝色: 铟-镓-氮化物。白色和其它色都是用 RGB 三基色按适当的10-100比例混 合而得到的。LED 的制造过程有点类似于半导体,但加工的精度还不如半导体,目前成本仍然 较高。它具有耗电省（电流只有20-30mA）；亮度高（发光强度可达上万个 mcd）；体积小 （直径最小可达1mm）；重量轻（一颗发光管仅重零点几克）；寿命长（10万小时）；外观 优美等优点。 单个 LED 的发光强度以 cd 为单位，同时配有视角参数，发光强度与 LED 的色彩没有关 系。单管的发光强度从几个 mcd 到五千 mcd 不等。LED 生产厂商所给出的发光强度指 LED 在 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 3 页 20mA 电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点，封装 LED 时顶部透镜的形 状和 LED 芯片距顶部透镜的位置决定了 LED 视角和光强分布。一般来说相同的 LED 视角越大， 最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。 当多个 LED 较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比 较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据 LED 视角和 LED 的排放密度，将厂商提供的最大 点发光强度值乘以 30%-90%不等，作为单管平均发光强度。一般 LED 的发光寿命很长，生产 厂家一般都标明为 100000 小时以上，实际还应注意 LED 的亮度衰减周期，如大部分用于汽 车尾灯的 UR 红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与 LED 生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素 LED。 白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为 69%,红色的亮度为 21%,蓝 色的亮度为 10%时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但 LED 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过 程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配 色。当为全彩色 LED 显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原 色发光强度成大致为 3:6:1 比例的 LED 器件组成像素,白平衡要求三种原色在相同的调灰值 下合成的仍旧为纯正的白色。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 4 页 1.21.2 LEDLED 灯的发展史灯的发展史 随着 LED 照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助等公共场合，LED 渐渐替代了一些传统 光源产品。2009 年，LED 开始在发达国家进入主照明普及。在电费较高，使用时间较长的商 业应用场所，LED 灯具迅速成为市场的新宠。作为 LED 照明灯具的用途，LED 市场发展分几 个阶段。 第一阶段，LED 灯具实用新型阶段。市场对 LED 灯具产品有了一定的认可和接受，LED 灯具的环保，体积小，高可靠性等其他特征逐渐凸显出来。由此而开发的一系列完全有别于 传统光源应用的产品会大行其道,照明行业会出现更大更广的一个发展空间。光源不再是仅 仅起到照明作用，它的多变使得更贴切人们工作生活中的点点滴滴,个厂商拼的是设计应用 优势。 第二阶段，LED 灯具智能控制阶段。随着物联网等新技术的发展，LED 作为半导体产业， 也将搭上这趟高速列车，发挥出其高可控性特点。从家庭到办公楼，从道路到隧道，从汽车 到步行，从辅助照明到主照明，具备智能控制的 LED 照明灯具系统将给人类带来更高等级的 服务。LED 灯具产业也将由做产品，到设计产品，到提供整体解决方案的历程。 第三阶段，LED 灯具替代接受阶段。这一阶段指的是 LED 灯具在发展初期，主要体现出 其光效高（能耗小） ，寿命长的特点。因为售价高，所以在这一阶段主要为商照市场。客户 有一个接受的过程，首先是使用习惯和外观上的过渡与接受，在与传统光源一致的使用情况 下，LED 灯具体现出的节电，长寿等特点使得市场容易接受它的相对高价,尤其是在商用场 合,各厂商拼的是质量价格优势。 1.31.3 与传统灯的与传统灯的差异差异 目前，LED 灯具与传统光源灯具就性能、评价和设计等方面都存在着很多不同地方。 1.在 LED 灯具性能评价方面。（1）色空间均匀度来评价。LED 灯具的存在的不同观察角颜 色差异。统光源单个发光体的特点不同，LED 灯具使用的 LED 灯是多个发光体组成并且发光 的，LED 灯具中的发光体之间存在颜色差异性，需要使用色空间均匀度来评价 LED 灯具颜色 的空间分布情况。（2）用使用寿命来评价 LED 灯具的耐用性。传统光源使用寿命性能的测 量和评价已经标准化，并且具有互换性，所以传统光源灯具的寿命可以通过替换损坏的光源、 以及按 10 年寿命设计灯的控制装置来满足所要求，所以一般不会评价传统光源灯具的寿命。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 5 页 LED 灯具的寿命与 LED 本身寿命、LED 驱动器以及灯具提供给 LED 的环境等很多因素都有关， 并且目前 LED 灯形式较多，除了带标准灯头的 LED 除外，其他 LED 灯都不具有互换性，这样 对不同的 LED 灯具，其寿命只有通过相关的寿命评价才能最终确定。在评价 LED 灯具寿命时， 不仅要声称光通维持寿命，而且还要声称失效率。传统照明灯具是用灯具得效率来评价，然 而 LED 灯具使用的是光效评价。不像传统照明光源可单独进行光度得测试，光度测量时也可 以使用相对的方法，由于 LED 光源对温度极其敏感，不适宜将 LED 光源从灯具内分离出来单 独测量，所以进行光度测量时应采用绝对法对灯具整体进行光度的测试。 2.在 LED 灯具设计方面。（1）光学系统方面。灯具中的光学系统可谓是灯具的灵魂，根据 选定光源特性设计符合具体照明要求的灯具光学系统。通常传统光源灯具的光学系统由光源、 灯座、反射器和透光罩等各部分组成。但由于一些 LED 单元具有 2 发光的光度特性，所 以灯具的光度系统与传统光源灯也有很大的差出。具体表现特征如下所示：LED 灯具光学系 统一般是由 LED 芯片和透镜组成的 LED 阵列或 LED 模块，阵列有时排列在整齐的铝基板上， 也可能是在突起的或者是凹下的成型基板上，灯具制造商可根据照明的需求，将多个 LED 单 元或数十个 LED 单元组合在铝基板上，而且应注意控制组合后 LED 单元光色的是否一致性， 然后考核 LED 灯具的色空间均匀度。由于 LED 的光电特性对 PN 结温度的变化非常的敏感； 封装树脂在高温和强光照射下也会快速得劣化；长期的光辐射会使荧光粉的光致转换率逐渐 的下降，并会导致色坐标的偏移。（2）电气元配件方面。LED 驱动电源既是构成 LED 灯具 性能优劣的关键的因素，也是灯具选择或设计要件的因素之一。LED 灯具电气设计应考虑到 灯具使用 LED 特性和数量、灯具等的安装地点，和灯具在电网中的位置来考虑电气安全、恒 流驱动、抗扰度或设计合适的 LED 的驱动电源。由于 LED 是 2V3V 的低电压恒流源的驱动， 所以不像普通的白炽灯泡可以直接连接到 220V 的交流市电上，必须要设计恒流电源和控制 电路来驱动 LED。此外，LED 模组的电气连接也是 LED 灯具电气系统的组成部分，应该充分 考虑到其安全性，应采用标准的充分绝缘、防触电保护等措施。（3）散热措施方面。与传 统光源灯具一样，LED 灯具当然也是会发热的，LED 灯具的热来自 LED 光电转换中的能量损 耗以及 LED 驱动电源等方面。与传统电光源发光原理不同，LED 的发光是电致的发光，由于 转换效率等问题，输出的大部分能量主要是以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化成热能。 而热量在 LED 内的传递的方式不是辐射而是传导。所以在 LED 灯具散热设计中主要的目标是 有效地将 LED 芯片的热量传导出去，并有效地控制 LED 灯具内 LED 的温度。对于 LED 灯具， 除了 LED 是发热的元件外，LED 灯具中的驱动器当然也是发热元件，为了保证具其有与 LED 光源协调的寿命，LED 驱动器的热控制也是非常重要的，如果采用内装驱动电源，灯具应根 据其内环境温度选择标有相应温度的驱动器。而当驱动器独立安装时，则应该根据安装地可 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 6 页 能的环境温度来选择相对应的驱动器。（4）机械部件和结构方面。机械的作用是通过结构 设计把灯具的光学系统和热系统的位置和相互关系最终确定来，使灯具能够在设定的环境中 固定并安全的使用。传统灯具的机械系统由固定光源、反射器、灯的控制装置等各部分部件 的结构、软线的走线结构、密封结构、机械防护结构、灯具固定结构和灯具调节结构等部分 构成，具体的说是由灯座或光源连接器、灯座安装支架、软线固定架、接线端子座、外壳、 灯罩和灯具安装架等各部分组成。由于 LED 光源的特性，LED 灯有封装、模组、LED 光引擎、 整体式 LED 灯、非整体式 LED 灯等几种形式，除了最后两种形式可能具有与传统光源灯具 类似内部结构以外，其他的 LED 灯不带有标准灯。 1.41.4 LEDLED 灯具的结构特征灯具的结构特征 LED 灯具中没有灯座，而是用连接件完成 LED 灯与灯具的各种连接，并采用其他的方式 将 LED 灯固定到灯具的主体上。为了导出 LED 芯片产生的热，LED 灯具有大量的散热片，灯 具的体积和重量比传统光源灯具大得多，灯具的安装结构也应作相应考虑，以保证安装的安 全性和可靠性。同时散热片应设计成容易清洁的结构，否则，散热片的效率会很快的降低。 另外 LED 灯具与传统灯最大的区别体现在它的功耗上：它的最大功耗才 10 瓦,长度 1.2 米, 是普通光管 40 瓦的前身;其次的功耗是 7.5 瓦,长度 0.9 米,是普通光管 30 瓦的前身;最小的 功耗是 5 瓦,长度 0.6 米,是普通光管 20 瓦的前身。外壳采用高级塑料精工制作而成、耐用、 耐摔.内部采用世界最先进的高科技二极管芯片发光材料，使产品亮度达到一流要求，又采 用与传统日光灯相反的降压技术与节能技术完美相结合,使功耗和温度降到最低，节能达到 极限，它的问世将是世界照明史上又一次重大的突破与变革，将讯速淘汰原来的白炽灯和传 统日光灯。 点亮无延迟，响应时间更快，传统玻壳灯泡则有 0.3 秒的延迟，防止追尾更强的抗震性 能发，光纯度高，无需灯罩滤光，光波长误差在 10 纳米以内。发光热量很小，对灯具材料 的耐热性要求不是很高光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的 深度耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的 6%，省电。超长 寿命，无灯丝结构不发热，正常使用在 6 年以上，控制电路不易氧化。高节能比：采用精准 的二次配光技术，根据你的照明要求，选择不同配光方式，让每一丝光线打在一需要的地方。 产品灵活：产品模组化科自由拆卸，根据不同需要选择功率范围。产品可靠性高质量的 LED 芯片：全部采用进口优质芯片，主要来源于 CKEE，PHILIPS，台湾晶元。无螺丝结合的散热 系统，在稳定产品性能的同时，极大的保证产品寿命，产品寿命达 50000 小时。优质的部件 材料：采用抗老化部件材料，以提升产品的整体寿命。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 7 页 2 2 LEDLED 筒灯的设计筒灯的设计 2.12.1 整体外观的设计整体外观的设计 图 2-1 整体外观设计图 随着大功率高亮度白光LED的发展，LED的应用已经从早年的指示、显示和室外景观装饰 走向室内普通照明时代。目前，室内白光照明主要通过多颗13W的白光LED芯片组合成超大 功率LED阵列来实现。在当前技术水平下，大功率LED工作过程中只有10%20%的电能转化为 光能。例如，若LED输入功率为2.5W，芯片面积为1mm1mm，按照80%的电能转化为热能，则 有2W左右的电能转化成热量，其芯片热流密度达到了200W/ cm2。如此高的热流密度，如不 采取有效的散热措施，会导致芯片温度升高，发光效率降低，以及波长漂移，显色指数下降 等一系列后果，进而缩短LED的正常工作寿命。因此，对大功率LED灯具的散热优化具有重要 的实际应用意义。所以对大功率LED灯具的散热分析与设计已成为LED灯具封装的关键技术之 一由于LED灯具在工作时，各材料间会形成温度梯度，从而形成热应力和材料失配，此外， 根据温度分布可以合理设置芯片排放位置、选择材料、优化各部件尺寸等。在此设计了12w 大功率LED筒灯的封装结构。然后计算分析了此灯具的温度场分布，并通过实验进行验证， 在与实验结果吻合的基础上，结合各构件温度场分布与传热学理论，分析了LED散热的主要 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 8 页 因素，并揭示出了一种新型实际可行的封装结构，最终制作出此种外观结构。优点：结构简 单，外观较美，视觉效果较好，散热效果较优。 2.22.2 驱动电路的设计驱动电路的设计 2.2.12.2.1 传统传统 LEDLED 驱动电路驱动电路 图 2-2 传统的电路 LED驱动电路除了要满足安全的要求以外，另外的基本功能应有两个方面，一个是尽可 能保持恒流的特性，尤其是当电源电压发生5的变动时，则仍应能保持输出电流在 10的范围内变动。第二是驱动电路自身应保持较低的功率损耗，这样才能够使LED的系 统效率保持在很高的水平。传统的低效率电路：图2-2所示是传统的电路。电阻R的存在是必 须的，R上的有功损耗直接影响了系统的效率，当R分压较小时，R的压降占总输出电压的 40，输出电路在R上的有功损耗已经占40，再加上变压器损耗，系统效率小于50。当 电源电压在10的范围内变动时，流过LED的电流变化将25，LED上的功率变化将达到 30。当R分压较大时，在电源电压在10的范围内变动时，虽说能使输出到LED的功率变 化减少，但系统效率将更低。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 9 页 工作原理：220V交流电源首先通过降压变压器降压，降到36V交流电，再到桥式整流电 路整流经过电容进行滤波后，通过限流电阻来驱动12个LED稳定工作，这是电容滤波的单相 不可控整流电路。空载时，R趋向于无穷大，放电时间常数也为无穷大，输出电压 =。重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去贮能作用，随负载加重逐渐趋向于 d U 2 2U d U 0.9，即趋向于接近电阻负载时的特性。通常再设计时根据负载的情况选择电容C值，使 2 U RCT，T为交流电源的周期，此时输出电压为1.2。这里二极管属性选为 2 53 d U 2 U 40V,1.5A,电容属性为1500uF,LED灯的额定电压为3.6V，额定电流为360mA,限流电阻的阻值 为20欧姆，当选取以上规格的元器件时，通过每个LED灯的电流为350mA，每个LED灯的电压 为3.0V,则每个LED灯的功率为1.05w,12个LED灯再串联起来，功率达到12w,符合12w大功率 LED筒灯的要求。但这种电路的缺点是：此驱动电路没有恒流源的控制，经过整流滤波后， 得到的电压不稳定，造成LED灯的超载，导致输出的功率达不到理想的状态，达不到预期的 效果。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 10 页 2.2.22.2.2 LEDLED 的改进驱动电路的改进驱动电路 图 2-3 是在图 2-2 的基础上加了一个集成稳压元件 MC7809，使输出端的电压基本稳定， 不会因为电源电压的不稳定造成 LED 的超载。 图 2-3 改进的电路 但是此电路虽然保证了 LED 的基本恒定的输出，但效率还是很低的。因为 MC7809 和 R1 上的压降占很大比例，且输出的电压不能够驱动 LED 进行大功率输出，其效率仅为 40左 右。而且上述这类电路的应用，根据系统总的每瓦输出流明的大小来看，此筒灯是根本不能 称为节能的照明产品的。为了能够达到 LED 既能稳定工作，又能保持高的效率的状态，应采 用低功耗的限流元件和输出大功率的电路来提高系统的效率。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 11 页 2.2.32.2.3 电容降压的电容降压的 LEDLED 驱动电路的简单介绍驱动电路的简单介绍 电容降压的工作原理并不是很复杂。它的工作原理就是利用电容在一定的交流信号频率 下产生的容抗来限制最大工作电流。比如，在 50Hz 的工频条件下，一个 1uF 的电容所产生 的容抗大约为 3180 欧姆。当 220V 的交流电压加在电容器的两端时，那么流过电容的最大电 流大约为 70mA。虽然流过电容的电流大约有 70mA，但在电容器上并不产生功率损耗，应该 说如果电容是一个理想电容，那么流过电容的电流可以称为是虚部电流，它所作的功率也为 无功功率。根据电容器这个特点，我们如果在一个 1uF 的电容器上再串联一个阻性元件，那 么阻性元件两端所得到的电压以及它所产生的功率损耗完全取决于这个阻性元件的规格。例 如，我们如果将一个 110V/8W 的灯泡与一个 1uF 的电容串联，在接到 220V/50Hz 的交流电压 上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为 110V/8W 的灯泡所需的电流 8W/110V=72mA，而它与 1uF 电容所产生的限流特性很吻合。 同样，例如：我们将 5W/65V 的灯泡与 1uF 电容串联接到 220V/50Hz 的交流电源上，灯 泡同样能够被点亮，而不会被烧毁，因为 5W/65V 的灯泡的工作电流也大约为 70mA。因此， 电容降压实际上说白了就是利用容抗来限制电流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态 分配电容器和负载两端电压的一个角色。采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路， 由于其具有体积小成本低电流相对恒定等优点，也常应用于 LED 的驱动电路中。 图 2-4 为一个实际的采用电容降压的 LED 驱动电路：请注意，大部分应用电路中没有连 接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管，建议连接上，因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电 压突变瞬间( 如雷电大用电设备起动等 )有效地将突变电流泄放，从而保护二级关和其它 晶体管，它们的响应时间一般在微毫秒级 。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 12 页 图 2-4 电容降压驱动电路 电阻 R1 为泄放电阻，其作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断时，电容 C1 上的残存 电荷无法释放，会长久存在，在维修时如果人体接触到 C1 的金属部分，有强烈的触电可能， 而电阻 R1 的存在，能将残存的电荷泄放掉，从而保证人机安全。泄放电阻的阻值与电容的 大小有关，一般电容的容量越大，残存的电荷就越多，泄放电阻就阻值就要选小些。D1-D4 的作用是整流，其作用是将交流电整流为脉动直流电压。C2C3 的作用为滤波，其作用是 将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压压敏电阻( 或瞬变电压抑制晶体管 )的作用是 将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉，从而保护 LED 不被瞬间高压击穿。LED 串联 的数量视其正向导通电压( Vf )而定，在 220V AC 电路中，最多可以达到 80 个左右。组件 选择：电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值，在 220V,50Hz 的交流电路中时，可以 选择耐压为 400 伏以上的涤纶电容或纸介质电容。D1-D4 可以选择 IN4007。滤波电容 C2C3 的耐压根据负载电压而定，一般为负载电压的 1.2 倍，其电容容量视负载电流的大 小而定。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 13 页 2.2.42.2.4 设计的驱动电路设计的驱动电路 图 2-5 采用的驱动电路 图 2-5 是采用集成恒流源 NUD4001 的 LED 驱动电路，这一电路的显著特点是当电源电压 在5的范围内变动时，输出波动1，可称为恒功率驱动电路，而且这一驱动 电路可 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 14 页 在串联分压下工作，所以可保证在几乎恒功率输出的情况下，保持系统效率达 70左右。 这一驱动电路的输入电源可采用工频交流，但最好的是采用电子变压器进行前级变压，这样 能保证谐波和电源端子干扰都符合标准的要求。此驱动电路的原理与以上传统的驱动电路原 理相同，但也是在其基础之上加了集成稳压元件 NUD4001 和额定电压为 45V，额定电流为 1.5A 的二极管。不像 MC7809，此成稳压元件损耗很小，该驱动电路既能保证 LED 电压的基 本恒定的输出，又能满足 12w 大功率的输出，能够驱动 12 个 LED 灯的发光，能保持高的效 率的状态。并且根据系统总的每瓦输出流明的大小来看，此 12w LED 筒灯能够被称为节能的 照明产品。 3 3 LEDLED 铝基板铝基板和散热器的设计和散热器的设计 3.13.1 铝基板的介绍铝基板的介绍 铝基覆铜板是顺应电子产品发展而诞生的,在 1969 年日本三洋公司首先发明了铝基覆铜 板制造技术,到 1974 年开始应用于 STK 系列功率放大混合集成电路。随后在应用领域和用量 都不断扩大,尤其是世界发达国家其产量迅速增长。如日本铝基覆铜板产量 1991 年 25 亿日 元,到 1996 年达到 60 亿日元,估计 2001 年将达到 80 亿日元。我国铝基覆铜板的研制开发由 国营 704 厂始于 1988 年,于 1990 年完成通用型铝基覆铜板的厂级设计定型,建立国内第一条 铝基覆铜板生产线并投产。经产品性能提升和产品系列化,到 1996 年完成部级设计定型。目 前国营 704 厂有通用型、高导热型、高频型和高热型系列化铝基覆铜板。现产量达到 5000- 8000 /年,还在新建生产线,完成后预计总产量达 1 万/年。铝基覆铜板的结构和性能 2 m 2 m 特点： 铝基覆铜板是由铝板、环氧树脂或环氧玻璃布粘结片、铜箔三者经热压而成。铝板厚度通常 是 0.8mm -3.0mm,按用途不同选择。铝基覆铜板具有优良的热耗散性、尺寸稳定性、电磁屏 蔽性和机械强度等。 根据结构差异和性能特征, 铝基覆铜板分为三类:（1）通用型铝基覆铜板,其绝缘层由 环氧玻璃布粘结片构成。 （2）高散热铝基覆铜板,其绝缘层由高导热的环氧树脂或其它树脂 构成。 （3）高频电路用铝基覆铜板,其绝缘层由聚烯烃树脂或聚酰亚胺树脂玻璃布粘结片构 成。 铝基覆铜板与常规 FR-4 覆铜板最大差异在于散热性，铝基覆铜板的技术要求与检验方 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 15 页 法：到目前为止,尚未见国际上有铝基覆铜板标准。我国由 704 厂负责起草了电子行业军用 标准阻燃型铝基覆铜层压板规范 。主要技术要求有：尺寸要求,包括板面尺寸和偏差、厚 度及偏差、垂直度和翘曲度；外观,包括裂纹、划痕、毛刺和分层、铅氧化膜等要求；性能 方面,包括剥离强度,表面电阻率,最小击穿电压,介电常数,燃烧性和热阻等要求。 在上述规范中制定了两项铝基覆铜板的专用检测方法。 其一是介电常数及介质损耗因 数测量方法,为变 Q 值串联谐振法,将试样与调谐电容串联接入高频电路,测量串联回路的 Q 值的原理。其二是热阻测量方法,以不同测温点之间温差与导热量之比来计算。铝基覆铜板 的应用领域有：工业电源设备,如大功率晶体管、固态继电器、脉冲电机驱动器等； 汽车, 如点火器、电源控制器、交流变换器等；电源,如稳压器和开关调节器； 磁带录像机和声频 设备,如电机驱动器、信号分离器、放大器等；办公自动化设备,如打印机驱动器、大显示器 基板、热打印头； 计算机,如 CPU 板、电源装置； 其它还有半导体绝缘导热板,电阻器阵列,热 接收器和日光电池基板等。 3.23.2 LEDLED 铝基板的铝基板的分析分析 LED 铝基板也就是 PCB，也是印刷线路板的意思，但只是线路板所用的材料是铝合金， 以前我们一般的线路板的材料主要是玻纤，但因为 LED 发热较大，所以 LED 灯具用的线路板 一般主要是铝基板，因为导热比较快，其他设备或电器类用的线路板但还是玻纤板。铝基板 是一种能够拥有良好散热功能的金属基覆铜板，一般的单面板主要由三层结构所组成，分别 是绝缘层、电路层和金属基层。用于高端使用时的也有设计为双面板，结构为电路层、绝缘 层、绝缘层、电路层。但很少数应用的是多层板，其可以由普通的多层板与绝缘层贴合而形 成。铝基板是由电路层、导热绝缘层和金属基层三个组成。电路层要求要具有很大的载流能 力，所以要使用较厚的铜箔，厚度一般37um-280um；导热绝缘层是 PCB 铝基板核心技术之中 心，它一般是由各种陶瓷填充的特殊的聚合物构成的，热阻比较小，粘弹性能较优良，具有 抗热抗老化的能力，也能够承受机械及各种热应力。LED-0601、IMS-H01、IMS-H02等高性能 PCB 铝基板的导热绝缘层也正是由于使用了这种技术，才使其具有极为优良的导热性能和高 强度的电气绝缘性能；然而金属基层是铝基板的主要支撑构件，要求其具有高导热性，一般 是铝板，当然也可是用铜板（因为铜板是能够提供更好的导热性） ，适合于钻孔、冲剪及切 割等各种规格的机械加工。工艺要求有：镀金、喷锡、抗氧化、无铅制作过程等。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 16 页 图 3-1 铝基板 铝基板产品的特征：绝缘层较薄，热阻很小；无磁性；散热良好；机械强度很高产品的 标准厚度：0.8、1.0、1.2、2.0、2.5、3.0mm ；铜箔的厚度：1.8um 35um 70um 140um 特 点：具有散热性、电磁屏蔽性，机械强度较高，加工性能很优良。用途：LED 主要专用与功 率混合驱动电路。 铝基板是承载 LED 及器件热传导，散热还主要是取决于面积的大小，集中导热当然也可 以选择较高导热系数的材料。虽然价格相差较大，但 LED 使用的电压不是很高，在选择 1mil 厚度时绝缘层耐压大于 2000V 即可。 LED 线路得设计是为了更好的解决散热的问题，LED 和有些大功率驱动电路需要用到铝 基线路板。元器件表面贴装在电路层，器件运行时所产生的热量通过绝缘层快速传导到金属 基层，然后由金属基层将热量传递出去，从而实现对器件的散热。 3.33.3 热分析热分析 高温对产品的影响：元器件遭到损坏；绝缘性能会退化；材料的热老化；低熔点的焊 缝开裂、焊点的脱落的等。阻值精度，稳定性，电感量等参数高低温变化都很大，具体产品 都有指标，比如电阻有 PPM 标志，即每升高一度阻值变化百万分之多少，保护老化有 IP 等 级标志，比如 IP54。IP 防护等级的意思.有部份防尘作用,但不得因落入之灰尘影响正常功 能或降低产品之安全，对准外壳任意方向以水喷洒时,不得造成有害现象。同样产品不同材 料参数稳定性不一样，所以军品电子元件比民用品，工业品贵很多倍。 温度对元器件影响：一般来说，温度升高时电阻的阻值会降低；高温会降低电容器的使 用寿命；高温也会使变压器绝缘材料的性能下降，一般变压器的允许温度要低于 95 摄氏度； 温度过高也会造成焊点结构的变化IMC 增厚，焊点的变脆，机械强度的降低；结温的升高 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 17 页 还会使晶体管的电流放大倍数的迅速增加，导致发射极极的电流增加，又会使结温进一步提 高，最终导致组件的失效。功率器件的结温是由功率器件的耗散功率、环境温度以及散热情 况所决定的，而功率器件结温对其工作参数及可靠性有很大的影响。功率器件的电流放大倍 数随结温的升高而增大，这将引起工作点的漂移，增益不稳定，可能造成多级放大器自激或 振荡器频率不稳定等不良后果，即使采用各种补救措施，其影响也不能完全消除。因此温度 的变化是使设备性能不稳定的因素之一功率器件的热击穿。控制产品内部所有电子元器件的 温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的 计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失 效率相一致。温度对电阻和电容类器件的影响 温度的升高导致电阻的使用功率下降临近夏 天温度越来越高，部分设备出现温度升高，在电气设备正常运行中，存在较大安全隐患，电 气设备在运行中如果温升或温度超过允许极限值时能产生电气设备故障。针对温度对电气设 备的影响，主要有以下几方面： （1）对金属材料的影响。温度升高，金属材料软化，机械强度将明显下降。例如，铜金 属材料长期工作温度超过 200时，机械强度明显下降；短时工作温度超过 300时，机械 强度也明显下降，铝金属材料的机械强度也与温度密切相关。通常，铝的长期工作温度不宜 超过 90，短时工作温度不宜超过 120。 （2）对电接触的影响。电接触不良是导致许多电气设备故障的重要原因，而电接触部分 的温度对电接触的良好性影响极大。温度过高，电接触两导体表面会剧烈氧化，接触电阻明 显增加，造成导体及其附件(零部件)温度升高，甚至可能使触头发生熔焊。由弹簧压紧的触 头，在温度升高后，弹簧压力降低，电接触的稳定性更差，更容易造成电气故障。 （3）对绝缘材料的影响。温度过高，有机绝缘材料将会变脆老化，绝缘性能下降，甚至 击穿，材料的使用寿命也将缩短。例如，A 级绝缘材料在一定温度范围内，每增加 810， 材料的使用寿命约缩短 50。温度过高，对无机绝缘材料的绝缘性能也有明显影响。高温 是许多电子元器件的大敌，如高温可使半导体元件热击穿，因为温度升高，电子激活程度加 剧，使本来不导电的半导体层导通；高温使电子元器件的性能变劣，如在偏高酌温度下，电 子元件的反向导电电流增加，放大倍数减小等。 3.43.4 设计的铝基板设计的铝基板 图 3-2 为本次铝基板的设计图。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 18 页 图 3-2 设计的铝基板 工作原理：功率器件表面贴装在电路层，器件运行所产生的热量通过绝缘层快速传导到 金属基层，然后由金属基层将热量传递出去，从而实现对器件的散热与传统的相比，铝基板 能够将热阻降至最低，使铝基板具有极好的热传导性能；与厚膜陶瓷电路比，它的机械性能 又极为优良。导热性能十分优异、单面缚铜、器件只能搁置在缚铜面、不能开电器连线孔所 以不能遵照单面板那样搁置跳线。铝基板上个别都搁置贴片器件，开关管，输入整流管通过 基板把热量传导进来，热阻很低，可获得较高牢靠性。变压器采取立体贴片构造，也可通过 基板散热，其温升比惯例要低，同样规格变压器采取铝基板构造可得到较大的输入功率。铝 基板跳线能够采取搭桥的方法解决。铝基板电源个别由由两块印制板组成，另外一块板放置 控制电路，两块板之间通过物理衔接分解一体。因为铝基板优异的导热性，在小量手工焊接 时对比艰难，焊料冷却过快，轻易涌现问题现有一个简朴适用的方法，将一个烫衣服的普通 电熨斗（最好有调温功用） ，翻过去，熨烫面向上，固定好，温度调到150左右，把铝基板 放在熨斗上面，加温一段时光，而后遵照惯例方法将元件贴上并焊接，熨斗温度以器件易于 焊接为宜，铝基板铜皮剥离，温度太低焊接后果不好，要灵巧控制，无需散热器，体积大大 减少、散热后果极好，良好的绝缘性能和机械性能。优点：散热较好；机械强度较高；热阻 较小；外形美观。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 19 页 3.53.5 散热器的设计散热器的设计 3.5.13.5.1 散热器的介绍散热器的介绍 散热器是 LED 灯具很关键的一个部件，它的形状、体积、散热表面积都要设计得恰到好 处，散热器太小，LED 灯工作温度太高，影响发光效率和寿命，散热器太大，则消耗材料多 增加产品成本和重量，使产品竞争力下降。设计合适的 LED 灯散热器至关重要。散热器的设 计有以下几个部分： （1）明确 LED 灯需要散热的功率。 （2）设计散热器用的一些参数：金属的比热，金属的导热系数，芯片热阻、散热器热阻、 周围环境空气热阻等。 （3）确定采用散的类型，(自然对流散热、强风冷却、热管散热，以及其它的散热方式。从 造价比较：自然对流散热造价最低，强风冷却中等，热管散热造价较高，喷气致冷造价最高。 （4）确定 LED 灯具许可的最高工作温度(环境温度加灯具许可温升)。 （5）计算散热器的体积、散热面积，并确定散热器的形状。 （6）将散热器与 LED 灯组合成完整灯具，并通电工作八小时以上，在室温 39-40的环 境下检查灯具的温度，看是否满足散热要求，以检验计算是否正确，如不满足使用条件，则 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 20 页 要重新计