大功率LED电路的设计方法

概 论

LED路灯即半导体照明灯，以发光二极管作为光源，因其是一种固态冷光源，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点，做成的LED路灯。

路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。

LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。

灯具的定义

凡能分配透出或转变一个或多个光源发出的光线的一种器具，并包括支承 固定和保护光源必需的包有部件，以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连的装置。其基本组成包括：灯体（Housing）﹑光源（Luminaire）﹑反光罩（Reflector）﹑电器组件（Electrical assembly）等。

灯具的设计重点

灯具的设计重点，也就是灯具质量的衡量指标，主要包括以下几个方面

LED灯具散热

建议：LED路灯Light Bar安装面用较易成型的2mm-3mm厚铝板加工，上面另外固定铝基Heatsink作散热用，尝试通过不同形状及尺寸的 Surface来得到最佳光学参数（配光曲线）。优点：用较低的成本及较短的开发同期来确定新款灯具Light Bar安装面形状及尺寸。一款好的路灯产品（截光灯具），其光学设计必须满足以下几个要求：配光曲线呈蝠翼状（满足道路照明所需要的延展性）最大光强方向不能大于65°（照明无眩光）80 °方向上所发出的最大光强不能大于30cd/1000lm，90 °方向上所发出的最大光强不能大于10cd/1000lm

灯具的结构设计必须满足：

结构合理，满足灯具的各种机械及电气性能（结构强度﹑防护等级﹑高压及接地 测试等）。 安全性 便于灯具的成品组装。便于灯具安装及维护。灯具的设计应尽可能考虑零配件的适配性及通用性。（降低成本，减少库存及便于物料管理

灯具的防触电保护分类

灯具的防尘、防水等级

目前采用特征字母“IP’’后面跟两个数字来表示灯具的防尘、防水等级;第1个数字表示对人、固体异物或尘埃的防护能力，第二个数字表示对水的防护能力;在防尘能力和防水能力之间存在一定的依赖关系，也就是说第一个数字和第二个数宇间有一定的依存关系

防护等级特征字母IP后面数字的意义

防护等级特征字母IP后面数字的意义

灯杆设计

灯杆的设计首先是要满足其使用功能，即为保证有足够的强度为灯具提供支撑，然后再考虑其美观性，即与灯具及周围环境的匹配。

灯具的安装仰角一般是由灯杆来决定的，其取值范围为10°-15 °。

灯杆（中杆）锥度取值范围为1：90 – 1：110，其计算公式为（Φ1–Φ2）/H，另一种

常用的表示方法为1：10 – 1：11，即灯杆每增加1米，灯杆直径增加10（11）mm。

灯杆间距与灯杆高度的关系：D（灯杆间距）=3.5 – 4H（灯杆高度）。灯杆表面处理：内外热浸锌（δ=65 - 100μm）后外表面喷塑（δ=80 - 120μm）。

灯杆设计完成后必须根据安装地的最大风速及自身负载进行强度计算。

LED散热设计的重要性

目标1：Higher Flux LED

提高LED的效率

提高电流 （功率）

更高的结温 （Tj）

目标2：高性能 LED

光学性能

高可靠性

依赖于结温 （Tj）

热设计的关键要处理好结温 Tj.

LED节温公式

平行热阻

LED结温计算方法

LED在使用过程中需要特别注意芯片的结温Tj，假如LED的结温超过规定的最高结温，那么会严重影响LED的寿命，甚至造成LED损坏，因此为了确保LED产品正常工作，必须将结温Tj控制在允许的范围内，以免对LED造成不良影响。由于无法测得LED芯片上的结温，所以在进行设计或实验时，只能参考LED的Pin脚温度或MCPCB接近LED芯片处的温度，通过该温度反推得到结温Tj，公式如下：

结温Tj = Pin脚温度 热阻 × LED功耗

为了确保LED能正常工作，一般规定测量得到的LED Pin脚的温度或MCPCB接近芯片处的温度必须比根据上述公式算出的LED Pin脚或MCPCB板的上限温度低10 ℃以上，但这仅仅只是一个上限值，原则上此温度是越低越好。

例如某款LED，其最高结温为120℃，热阻为23℃/ W，额定电压为2.85V，额定电流为385mA，功耗为1.1W，所以算出此时Pin脚温度为：120 ℃- 23℃/ W x 1.1W=94.7 ℃

根据上述规定，实际测得的LED Pin脚或MCPCB板的温度不能高于84.7 ℃

LED结温计算方法

在实际使用中有时LED并不是以额定电流工作的，对上款LED，若其工作电流为300mA，则其功耗为0.86W，所以算出此时Pin脚温度为：120 ℃- 23℃/ W x 0.86W=100.3 ℃

此时实际测得的LED Pin脚或MCPCB板的温度不能高于90.3 ℃

上表为LED结温与其光输出的关系。对白光而言，当Tj=20 ℃时，其光输出为100%，当Tj=120 ℃，其光输出只有原来的68%。作为LED灯具，其散热效果越好，则其光输出性越好，灯具寿命也就越长。

总 结

LED路灯进步明显，展示了美好的发展前景。光效提高很快，整灯的光效最高超过80Lm/W，应用光效最高接近50 Lm/W，主干道应用已露曙光；配光水平大为提高，均匀度相比高压钠灯已有优势；光衰问题明显改善，相比其它光源并不逊色。但是，色温方面所暴露的问题要引起高度重视，归纳起来为五大挑战：

1、led白光的接受程度；

2、光色的舒适感较差（较低色温存在偏绿问题，较高色温存在偏绿偏紫问题）；

3、同型号产品色温一致性不佳；

4、不同方向色温的均匀性较差；

5、色温的飘移较严重等。