室内大功率LED照明灯项目技术总结.doc

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1、 “室内大功率LED照明灯研制”技术总结一、技术原理依据本项目运用半导体大功率白光LED，研发出的用于室内照明的LED节能灯，采用直管型、环型和点阵型LED照明灯直接替换室内传统光源，以满足室内高亮度、厨卫及装饰照明要求。室内大功率LED照明灯具由LED恒流电源、铝基板LED光源和灯罩三部分构成：1、LED恒流电源： LED恒流电源是led电源的一种,是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的

2、输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。2、LED光源LED光源就是发光二极管（LED）为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。LED的发光原理与白炽灯和气体放电灯的发光原理都不同，LED光源的能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10的能耗，LED相比荧光灯也可以达到50的节能效果。节能效果显著，这对能源十分紧张的中国来说，无疑具有十分重要的意义。LED光源的基本特征：（1）、发光效率高LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流

3、明/瓦，荧光灯5070流明/瓦，钠灯90140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后达到100流明/瓦以上，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。（2）、耗电量少大功率LED单管功率15瓦，采用直流驱动，单管驱动电压23.6伏，电流300-1500毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的万分之一，荧光灯管的二分之一。日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。（3）、使用寿命长采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达

4、5万小时以上。LED灯具使用寿命可达815年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。（4）、有利于环保LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。3、灯罩灯罩不仅仅是罩在灯上为了使光聚集在一起的作用，还可以防止触电，对保护眼睛也有作用，同时更具装饰作用。所以大多数灯上都会有灯罩。灯罩的更新换代比较快，而且灯具大部分都是设计师精心设计，对于用户来说，不用将灯整个都换掉，只需要把灯具的外部灯罩或内部光源进行替换。二、设计研制过程1、工作原理介绍原理方框图：市电低压恒流输出电压变换器恒流模块大功

5、率LED光源LED是light emitting diode的缩写，中文名称叫做“发光二极管” 。LED光源具有绿色、节能、长寿的特点，被称为第四代节能照明光源。 LED的发光原理是通过将电压加在LED的PN结两端，使PN结本身形成一个能级（实际上，是一系列的能级），然后电子在这个能级上跃变并产生光子来发光的。LED是一种固态的半导体器件，可以直接把电能转化为光能。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，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通

6、常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。目前的LED光源是低电压（VF=23.6V）、大电流（IF=3001500mA）工作的半导体器件，必须提供合适的直流电才能正常发光。但由于我们日常照明使用的电源是高压交流（AC 100220V），所以必须使用降压的技术来获得较低的电压，常用的是变压器或开关电源降压，然后将交流（AC）变换成直流（DC），再变换成直流恒流电源，才能促使LED光源发光。因此直流驱动LED光源的

7、系统应用方案必然是：开关电源降压+恒流源。LED发光时所产生的热能若无法导出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性，因此，要使LED灯具正常工作，LED系统的热散管理与设计便显得十分重要。 LED散热铝基板主要是利用其散热基板材料本身具有较佳的热传导性，将热源从LED晶粒导出。我们将LED散热基板细分两大类别，分别为LED晶粒基板与系统电路板，此两种不同的散热基板分别乘载着LED晶粒与LED晶片将LED晶粒发光时所产生的热能，经由LED晶粒散热基板至系统电路板，而后由大气环境吸收，以达到热散之效果。 系统电路板主要是作为LED散热系统中，最后将热能导至散热片、灯外壳

8、或空气中的材料。近年来印刷电路板(PCB)的生产技术已非常纯熟，早期LED产品的系统电路板多以PCB为主，但随着高功率LED的需求增加，PCB之材料散热能力有限，使其无法应用于其高功率产品，为了改善高功率LED 散热问题，近期已发展出高热导系数铝基板(MCPCB)，利用金属材料散热特性较佳的特色，已达到高功率产品散热的目的。2、设计思想一般的大功率LED照明灯，往往采用传统变压器或电子开关电源降压，然后用电阻限流或接恒流模块的做法，生产的LED灯具多为球泡灯、玉米灯等，功率也较小，主要用作楼道照明或庭院灯。下面从几方面介绍一下研制过程。(1)、光源的选择LED半导体照明光源的光谱几乎全部集中于

9、可见光频段，光谱中没有紫外线和红外线，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，没有污染。具有使用寿命长、发光效率高、体积小、重量轻、环保安全可靠等优点。LED半导体照明光源启动电压和工作电压一致，使用中不需要镇流器，控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光。在路灯中，我们选取了大发光角度和功率的LED为照明光源，按照明用途使用恒温板将大功率LED颗粒焊接在铝基板上。可广泛应用于公共场所及办公照明场所的直管型LED照明灯，功率分别为9W、18W、24W；用于室内客厅、书房及卧室照明的环型LED照明灯，其功率为6W、9W、12W、24W；用于楼道、厨卫的点阵型LED照明灯，其功率为3W、6W、

10、9W。在大功率LED产品中，1W颗粒LED效率最高，产品性能更稳定，因此我们选用的大功率LED颗粒为台湾晶元（Epistar）原装芯片，电流350mA，电压3.6V，亮度100lm，寿命50000h以上，色温5500K-6000K（正白）。（2）、铝基板铝基板目前常用于LED照明产品。铝基板有正反两面，白色的一面是焊接LED引脚的，另一面呈现铝本色，一般会涂抹导热凝浆后于导热部分接触。铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板，一般单面板由三层结构所组成，分别是电路层（铜箔）、绝缘层和金属基层。用于高端使用的也有设计为双面板，结构为电路层、绝缘层、铝基、绝缘层、电路层。极少数应用为多层板，可以

11、由普通的多层板与绝缘层、铝基贴合而成。LED铝基板就是PCB，也是印刷线路板的意思，只是线路板的材料是铝合金，以前我们一般的线路板的材料是玻纤，但因为LED发热较大，所以LED灯具用的线路板一般是铝基板，能够导热快，大功率LED表面贴装在电路层，工作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。铝基板选型，我们定做厚度为2mm的镀锡单面铝基板，完全可以满足9W以下灯具的散热问题，12W、18W和24W的灯具我们采用在铝基板背面加装铸铝散热器，以达到必要的散热面积。（3）、恒流电源LED是一个非线性器件,正向电压的微小变化会引起正向电流的很大

12、变化！ 例如：3.3V时为20mA的LED，用三节干电池供电，新电池电压可达4.5V，电流超过100mA，大了5倍，很容易烧毁LED器件。1W的大功率LED，如果正向电压变化10%（从3.4V降低到3.1V）,会引起正向电流从350mA降低到100mA,变化3.5倍。LED的光输出正比于正向电流，如果正向电流从350mA降低100mA,其光输出就会减少70%之多。LED又是一个半导体二极管,它的伏安特性随温度而变化(-2mV/) 。假如用恒压电源供电:温度增加至85度,正向电流从20mA增加至35-37mA,而亮度不增加；温度降低至-40度时,正向电流从20mA降低至8-10mA,亮度降低，所

13、以不能用恒压源供电,而必须用恒流源供电。所有发光二极管无论其灯光颜色、尺寸大小或功率有甚不同，只要驱动的电流恒定不变，它们都能充分发挥其性能。发光二极管生产商都会列明产品的规格，例如，数据表上会列出产品在指定正向电流（IF）而非正向电压（VF）驱动下的流明、光束波形及颜色。发光二极管的亮度随电流的大小而不同，且制造出来的发光二极管，其电压与电流曲线稍有差异，因而LED照明的亮度常随电源电压的变动而无法稳定。为维持亮度稳定一致，需要发光二极管恒流驱动器来实现。恒流驱动器可以使得发光二极管工作在固定电流模式，因而亮度稳定性高。恒流驱动器也让发光二极管长期工作在一定电流下，使其维持较长寿命。我们经过

14、对比试验和测试，选用了隔离型(符合安规要求)交流电源直接输入系统整合的ACDC转换LED恒流驱动电源。（4）、灯罩灯罩可以按照用户的喜好进行选择，也可以保留原有灯罩，只升级更换光源。三、技术方案本项目运用半导体大功率白光LED，研发出的用于室内照明的LED节能灯，采用直管型、环型和点阵型LED照明灯直接替换室内传统光源，以满足室内高亮度、厨卫及装饰照明要求。灯具原理示意图AC220VDC310mA-900mAAC/DC转换LED恒流电源1-3WX颗LED铝基板光源技术关键是大功率LED照明的恒流驱动控制电源的可靠性和大功率LED满负荷工作的散热问题。1、恒流电源LED由于环保，寿命长，光电效率

15、高等众多优点，近年来在各行业得以快速发展，LED的驱动电源也成了关注的热点，理论上LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏，随着LED应用的日益广泛，LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，通常情况下：LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流、高压直流、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。LED驱动一般特性要求（1）高可靠性：特别像LED路灯的驱动电

16、源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。（2）高效率：LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升,对延缓LED的光衰有利。 （3）浪涌保护： LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启用和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。（4）保护功能

17、： 电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。（5）驱动电源的寿命：要与LED的寿命相适配。LED恒流电源工作原理交流输入整流滤波功率变换整流滤波稳压电路恒流输出取样电路光耦反馈电路PWM控制电路开关管电路控制电路 本电源的主要电路是由整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路、反馈电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。通过光耦检测输出电流并通过改变输出脉冲占空比达到控制输出电流相对恒定的目的。由于本设

18、计是采用恒流源驱动，故采用目前应用较为广泛，廉价且性能比较稳定的驱动芯片PT4201。PT4201是一款工作于电流模式、可驱动1W至30W照明或射灯的高亮度LED驱动控制器，适用于1W至30W的各种LED照明和射灯应用，包括E27、PAR30、PAR38等。基于PT4201的隔离式光耦反馈的高亮度LED驱动系统具有恒流精度高、外围电路简单、无闪烁和EMI辐射低的显著优点。在正常工作状态下控制器的振荡频率可以通过外部电阻精确设定。同时，PT4201的前侧消隐电路帮助克服外部功率器件开启瞬间的电压毛刺，能有效避免控制器的误动作造成的LED灯闪烁。内部集成的电流斜率补偿功能提高了系统稳定性。PT42

19、01提供完善的保护功能以提高LED照明系统的可靠性，包括逐周期过流保护（OCP）、VDD过压保护（OVP）以及VDD欠压保护（UVLO）等。OUT输出脉冲高电压被嵌制在18V保护外部功率MOS。短路保护功能防止LED负载短路时损坏系统。PT4201集成了多种增强功能，并以其极低的启动和工作电流、多重保护功能为大功率LED照明驱动提供了性能优良可靠的低成本解决方案。PT4201恒流驱动电源性能参数输入电压和输出电流关系2、LED光源大功率LED作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯

20、和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。LED大功率市场现在基本上分为两大类：普通大功率LED和集成型大功率LED两种。而普通型大功率LED分为单色光与RGB全彩两种，集成型大功率LED一般均为单色，RGB全彩的极少。大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时

21、甚至不可能。另外，实验室内led光源达到的光效，不表示目前现有产品的光效，它还要解决生产工艺等一系列问题才能变成批量产品。因此它代表的是未来产品的光效。其次，低显色指数产品的光效，不代表高显色指数产品的光效。有些厂家在宣传其产品的时候，说产品的光效达到多少流明瓦，是显色指数比较低的led光源的数值，高显色指数的led光源达不到所宣传的数值。还有，目前的led光源，高色温光源比低色玩光源的光效高，5600K的led比3200k的led光效高。了解led的这些特点，便于正确选购所需要的产品。综上所述，我们选用台湾晶元（Epistar）原装芯片大功率LED，电流350mA，电压3.6V，亮度100l

22、m，寿命50000h以上，色温5500K-6000K（正白）。3、散热铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板，一般单面板由三层结构所组成，分别是电路层（铜箔）、绝缘层和金属基层。用于高端使用的也有设计为双面板，结构为电路层、绝缘层、铝基、绝缘层、电路层。极少数应用为多层板，可以由普通的多层板与绝缘层、铝基贴合而成。LED铝基板就是PCB，也是印刷线路板的意思，只是线路板的材料是铝合金，以前我们一般的线路板的材料是玻纤，但因为LED发热较大，所以LED灯具用的线路板一般是铝基板，能够导热快，其他设备或电器类用的线路板还是玻纤板！铝基板（金属基散热板（包含铝基板，铜基板，铁基板）是低合金化的

23、Al-Mg-Si 系高塑性合金板（结构见下图），它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能，铝基板与传统的FR4（覆铜板） 相比，采用相同的厚度，相同的线宽，铝基板能够承载更高的电流，铝基板耐压可达4500V，导热系数大于2.0，在行业中以铝基板为主。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 FR4 （覆铜板）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。直管型灯具内部使用的是铝基板灯条，功率在9W内直接使用自身铝基板就可满足散热要求，功率

24、超过9W，需要利用自身铝基板和铝合金背板散热。环型灯具根据不同功率选择安装不同尺寸的环型铝基板光源，光源功率超过12W,在铝基板背面加装铸铝散热器，以达到必要的散热面积，同时散热器通过螺丝与灯具金属底板连接，使热量通过灯具金属底板散发到空气中。点阵型灯具可由多条直管型或多个环型铝基板光源构成，以组合出功率更大的照明光源。同时可以由圆形、方形铝基板组成点阵光源，用以制作球泡灯、射灯和地灯等，以适应多种场合的需要。4、主要技术经济指标指标类型计划指标完成后指标LED功率3W18W3W36W发光效率95Lm/W100Lm/W散热方式9W以下铝基板；9W以上铝基板与铸铝组合色温暖白3000K-5500

25、K 正白500K-6000K冷白6000K-7200K暖白3000K-5500K 正白5500K-6000K显色性Ra75Ra80输入电压范围AC85V265VAC85V265V工作效率0.850.9恒流精度4%4%隔离性LED恒流电源环形LED光源铝基板点阵型LED光源铝基板直管型LED光源铝基板直管型LED光源灯壳四、工艺流程1、LED恒流电源定制、测试流程根据灯具技术指标选择合作厂家定制样品-测试合格-批量定制-验货-实验室测试指标-合格-老化24小时-登记入库。2、铝基板LED光源生产工艺流程（在防静电车间生产，工人不能穿化纤等易产生静电的衣服，进入车间前洗手清除身体静电，坐上工作台及

26、时带好防静电腕带）库管处领料 - 核对 - 点锡桨-放LED-检查 - 恒温焊台焊接 - 目测检查 - 通电 - 检查工作电流 - 老化24小时 - 检验合格- 登记入库。3、灯具总装工艺流程库管处领料 - 核对数量 - 检查恒流电源 - 铝基板光源-组装灯具 -连接线路 - 万用表检测- 通电 - 工作12小时 - 合格 - 出厂。五、关键技术及创新点运用半导体大功率白光LED，研发用于室内照明的LED节能灯。采用直管型、环型和点阵型LED照明灯直接替换室内传统光源，以满足室内高亮度、厨卫及装饰照明要求。关键技术（1）大功率LED照明的恒流驱动控制电源。（2）大功率LED满负荷工作的散热。创

27、新点（1）、应用大功率白光LED照明，亮度高，节能、显色性好，适合人们的生活用光习惯。（2）、直管型、环型以及点阵型的LED照明灯，可直接替换室内传统光源。六、与国内外同类技术的对比分析等绿色照明是当今照明界的必然趋势，LED照明清洁、高效、节能、环保，是最为彻底的绿色照明，推广这种照明有着较大的节能潜力，对于节能减排和改善环境具有重要意义。LED照明灯与传统品牌日光灯对比： 类别100支40W的T8日光 灯100支18W LED光源灯优势性能对比光效对比60 Lm/W90-110Lm/W光效提高40%以上显色指数50-7075色彩还原好频闪有无缓解视觉疲劳节能效果照明时长10小时/天10小时

28、/天 每天耗电量100支40W24h1000瓦/小时96度100支18W24h1000瓦/小时43.2度每天省电52.8度每年耗电量96度365天35040度43.2度365天15768度年省电19272度每年电费35040元（1元/度）15768元（1元/度）年省电19272元维护成本使用寿命约3000小时50000小时以上更耐用每三年更换灯具数量10小时365天/3000小时100支3390支质保三年无光源更新三年更换灯具费用5元390支1950元0节省开支1950元维护人工费0.139010390元0节省工费390元采用大功率白光LED光源在室内照明中的应用，起到了显著的节电效果。与白炽灯和荧光灯相比,LED灯的节能效果确实非常明显,一盏68 W 的LED灯即可取代4060 W 的白炽灯,节能80 %以上。另外与白炽灯1000 h 、荧光灯8000 h的寿命相比,LED灯50000 h的寿命也是他们的540 倍,这两个优点是非常具有竞争力的。同时，与进口产品相比,国产产品的性价比具有很大的优势，采用国产配件来制造家用LED 灯在价格方面与国外产品相比十分具有竞争力。