季國(guó)順 邵琛

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程研究所，杭州 310018)

1 引言

照明燈先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈三個(gè)發(fā)展階段，而新興的發(fā)光二極管［1］，即LED則被認(rèn)為是第四代光源［2］。使用中，單個(gè)LED所處環(huán)境及其內(nèi)部發(fā)熱量對(duì)其使用性能有重大影響，研究表明輸入LED的電能約85%被轉(zhuǎn)化為熱能［3，4］，所以在LED結(jié)區(qū)會(huì)產(chǎn)生很高的熱量，與小功率LED相比，高亮LED球泡燈所用的大功率LED［5］，其結(jié)區(qū)產(chǎn)生的熱量更高［6］，結(jié)區(qū)高的溫升會(huì)減小LED光輸出、縮短其壽命、使光源顏色發(fā)生偏移［7，8］。由于單只 LED的光通量較小，為獲得與白熾燈或熒光燈相當(dāng)?shù)墓庹斩?，球泡燈這類高亮LED一般是由多只 LED構(gòu)成的 LED陣列［9］，因此會(huì)在LED結(jié)區(qū)產(chǎn)生更高的溫度，LED陣列工作環(huán)境良好的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地降低陣列LED結(jié)區(qū)溫度，提高其使用性能。LED陣列的結(jié)溫受到環(huán)境溫度和多個(gè)芯片之間復(fù)雜的相互作用影響［10］，因此理論分析LED球泡燈的發(fā)熱特性往往比較復(fù)雜。

與世界LED燈產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)相比，國(guó)內(nèi)LED開發(fā)技術(shù)還比較落后［11］。本文開發(fā)了一種高亮LED球泡燈基本結(jié)構(gòu)，并采用仿真和實(shí)驗(yàn)的方法，分析了所研制的球泡燈發(fā)熱特性。文中的工作旨在推動(dòng)我國(guó)高亮LED燈研制水平。

2 LED球泡燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LED球泡燈的結(jié)構(gòu)主要包括:透光罩、基板、散熱器、燈頭連接件等。圖1是研制的球泡燈的構(gòu)成部分，其具體的裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。各個(gè)結(jié)構(gòu)都有各自的功能，對(duì)于不同功能的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)選用合適的材料，下面簡(jiǎn)要介紹各結(jié)構(gòu)件的作用，并選擇所研制的球泡燈各零部件的材料。

圖1 球泡燈基本構(gòu)成

基板的功能在于導(dǎo)電、絕緣和支撐LED三個(gè)方面。目前工藝上采用的基板主要有印刷短路板(FR4)和鋁基板。因?yàn)長(zhǎng)ED是LED球泡燈的主要發(fā)熱部件，而基板又是直接與LED接觸的部件，所以需要盡量選擇導(dǎo)熱性能優(yōu)良的材料作為基板。此處采用傳熱性能優(yōu)良的鋁質(zhì)基板，以便能夠順利地將熱量從LED傳至散熱器。

圖2 球泡燈裝配結(jié)構(gòu)

透光罩應(yīng)隔絕LED與外界聯(lián)系，防止灰塵或者其他腐蝕性物質(zhì)接觸LED光源而影響其使用，同時(shí)又應(yīng)具有較高的透光率以盡可能地透過LED發(fā)出的光線。目前一般采用玻璃和PC板作為透光罩的材料，因玻璃脆而易碎，不便于與其他部件裝配，因此此處采用PC板作為透光罩材料。

散熱器用于迅速散發(fā)LED產(chǎn)生的熱量，因此需選用導(dǎo)熱性能比較理想的材料。鋁、銅、銀等材料具有良好的導(dǎo)熱性能，考慮到選材的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，此處采用鋁材作為散熱器材料，因鋁的導(dǎo)熱性好，經(jīng)過表面陽極氧化處理后，又可提高其輻射系數(shù)，從而增強(qiáng)其輻射散熱能力，且價(jià)格便宜。

燈頭連接件應(yīng)與市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)燈頭相配合，主要起連接部件的作用，需要其具有優(yōu)良的絕緣性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度，此處采用PC作為球泡燈燈頭連接件材料。

3 LED球泡燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

目前LED均采用直流驅(qū)動(dòng)，因此在市電與LED之間需要LED驅(qū)動(dòng)電源，把交流電轉(zhuǎn)換成適合LED的直流電。因?yàn)椴煌?guī)格LED驅(qū)動(dòng)電源的性能和轉(zhuǎn)換效率不同，低效率LED驅(qū)動(dòng)電源自身要消耗大量電能而無法凸顯其節(jié)能的特點(diǎn)，所以選擇合適、高效的LED驅(qū)動(dòng)電源，才能真正展現(xiàn)LED光源高性能的特性。按照驅(qū)動(dòng)方式，LED電源可以分為恒流式和穩(wěn)壓式［12］。

LED的發(fā)光密度與其正向電流基本成正比例關(guān)系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。溫度不變時(shí)，控制LED的正向電壓就可以控制其正向電流，從而控制其發(fā)光亮度;當(dāng)溫度改變時(shí)，LED的正向電流也會(huì)隨溫度變化，從而引起LED的發(fā)光亮度的變化［2］。因?yàn)楦吡?LED工作時(shí)，隨著溫度上升，LED兩端的壓降會(huì)下降，難以實(shí)現(xiàn)恒壓供電，所以要控制高亮LED的發(fā)光密度，驅(qū)動(dòng)器必須提供準(zhǔn)確恒定的電流源，即采用恒流源驅(qū)動(dòng)LED。

采用Flyback工作原理研制驅(qū)動(dòng)電路，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路分為整流濾波電路、變壓器電路、恒流電路、去電壓尖峰電路和過壓保護(hù)電路五個(gè)部分，圖3是所研制的球泡燈的驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)lyback降壓電路及恒流電路則分別如圖4和圖5所示。整流濾波電路將交流電變換為脈動(dòng)直流電;變壓器電路為L(zhǎng)ED提供穩(wěn)定的工作電壓;恒流電路消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化;當(dāng)開啟驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，去電壓尖峰電路可濾去開啟時(shí)的尖峰電壓，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性;當(dāng)LED兩端電壓偏高時(shí)，三極管MMBT4401開通，使通過其的電流增大，減小Q2集電極對(duì)地壓降，通過負(fù)反饋，減小占空比從而減小LED兩端電壓，起到對(duì)LED的過壓保護(hù)。所研制的LED球泡燈，最終工作電壓10.17V，工作電流355mA，驅(qū)動(dòng)器效率76.8%。

圖3 球泡燈驅(qū)動(dòng)電路

圖4 Flyback降壓電路

圖5 恒流電路

4 球泡燈發(fā)熱仿真及實(shí)驗(yàn)分析

4.1 球泡燈發(fā)熱仿真

內(nèi)置于SolidWorks軟件中的 Flow Simulation程序，可方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)中的液流仿真和熱分析。使用Flow Simulation仿真分析時(shí)，不需要對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)作任何修改，就可分析結(jié)構(gòu)內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué) (CFD)問題，利用它的CFD分析功能，可仿真真實(shí)條件下液體和氣體流動(dòng)，可以分析高溫表面之間的熱量傳遞和輻射傳熱。研制的LED球泡燈，選用Flow Simulation分析其工作時(shí)，鋁基板及其外表面的溫度，從而分析LED陣列工作環(huán)境的發(fā)熱及散熱情況。

建立的LED球泡燈模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)較多，直接對(duì)其進(jìn)行仿真，需要處理的數(shù)據(jù)量大，仿真時(shí)間較長(zhǎng)，影響仿真效率，因此在進(jìn)行仿真之前，可以對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化一些較為復(fù)雜的曲面及去掉那些對(duì)仿真結(jié)果影響不大的零部件，以盡量簡(jiǎn)化仿真模型，提高仿真效率。LED球泡燈仿真簡(jiǎn)化模型如圖6所示，去掉了原模型中4個(gè)M3螺釘，將驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體，并將LED和鋁基板簡(jiǎn)化成一塊鋁板。

圖6 球泡燈熱仿真簡(jiǎn)化模型

仿真分析時(shí)，對(duì)所研制的LED球泡燈，依次建立材料庫，編輯材料物理特性參數(shù)，選擇國(guó)際單位制，確定本次仿真需要考慮的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種散熱方式，選擇球泡燈LED陣列所處空間的介質(zhì)為空氣，設(shè)置環(huán)境和零部件的初始溫度，確定仿真區(qū)域和選擇零部件的材料，設(shè)置熱源和驅(qū)動(dòng)器的功率，最后運(yùn)行Flow simulation程序，經(jīng)過1小時(shí)6分鐘后，得到了所設(shè)計(jì)的球泡燈LED陣列發(fā)熱及其工作空間的熱溫度場(chǎng)分布。圖7設(shè)置了鋁材物理特性參數(shù)，確定仿真區(qū)域如圖8所示，圖9則給出了熱仿真結(jié)果。

圖7 設(shè)置鋁材物理特性參數(shù)

圖8 確定球泡燈仿真區(qū)域

圖9 球泡燈熱仿真結(jié)果

4.2 球泡燈發(fā)熱實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證溫度仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試該球泡燈穩(wěn)定工作時(shí)溫度分布，并與仿真結(jié)果作對(duì)比。本實(shí)驗(yàn)主要儀器為熱電偶測(cè)溫儀、燈頭座。熱電偶是用兩種不同成份的導(dǎo)體焊接在一起，兩端溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)有熱電勢(shì)產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中溫度探頭分布如圖10所示，圖11及圖12則分別為溫度測(cè)試情況及穩(wěn)定工作時(shí)鋁基板溫度測(cè)試結(jié)果。表1對(duì)照了LED球泡燈上同一溫度測(cè)點(diǎn)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖10 溫度探頭所在位置

圖11 進(jìn)行溫度測(cè)試

圖12 熱電偶測(cè)溫儀示數(shù)

表1 溫度仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

由表1可見，溫度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但溫度仿真結(jié)果要偏高，原因在于，(1)仿真時(shí)，取零部件之間直接理想接觸，因此零部件之間的熱阻較小;(2)鋁散熱器外表面進(jìn)行過烤漆處理，相比仿真時(shí)取鋁散熱器與空氣直接接觸，實(shí)際增加了其與空氣之間的熱阻;(3)實(shí)驗(yàn)儀器本身存在系統(tǒng)誤差。

5 小結(jié)

研制了一款替代白熾燈的LED球泡燈，分別設(shè)計(jì)該球泡燈的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路，使用了Flow simulation熱仿真該球泡燈的發(fā)熱情況，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，穩(wěn)定工作時(shí)，所設(shè)計(jì)的LED球泡燈的鋁基板溫度低于50℃，表明該球泡燈具有良好的熱結(jié)構(gòu)及散熱性能，因此所研制LED球泡燈可滿足高亮照明的使用要求。

［1］胡建人，秦會(huì)斌，王卉等．我國(guó)LED照明工程技術(shù)與發(fā)展策略研究 ［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(4增刊):196～199．

［2］單英艷．高亮LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)研究 ［D］．西安:西安電子科技大學(xué)，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］韓磊磊．大功率白光LED器件及照明燈具的熱設(shè)計(jì)與光設(shè)計(jì) ［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008．

［5］潘文捷．高壓高效率白光LED驅(qū)動(dòng)電路的研究與設(shè)計(jì)［D］．杭州:浙江大學(xué)，2008．

［6］韓磊磊，王春青，田艷紅．一種白光LED投射燈組裝結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì) ［J］．電子工藝技術(shù)，2008，29(5):254～255，261．

［7］劉向，馬小軍，臧增輝．LED隧道燈的應(yīng)用分析［J］．照明工程學(xué)報(bào)，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］劉有源，方福波，陳定方．高亮度LED在綠色照明工程中的應(yīng)用研究 ［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) (交通科學(xué)與工程版)，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］李軍偉．LED的驅(qū)動(dòng)電路研究 ［D］．大連:大連理工大學(xué)，2007．

［12］周志敏，紀(jì)愛華．白光LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］．北京:人民郵電出版社，2009:65～66．