HGLED-G-024 大功率LED工矿灯/工厂灯

    1　引言： 

　　在工厂的能耗中，照明能耗占有一定的分量。例如在一个4万平方米的厂房建筑物中，照明用电负荷约为400KW，因此，在工厂照明灯具的选用中，如何实现节能、环保是摆在工厂设计者一个重要的课题。采用新型LED光源为基础的照明灯具，除了节能环保外，它还具有寿命长、响应时间快、光色纯光线集中等优点，近年来，广受消费者的青睐。 

　　2　LED照明设计关键技术 

　　新技术 、新材料和新工艺不断应用到大功率 LED光源的设计中，为大功率 LED灯具设计奠定了坚实的基础 。由于同为 LED光源的应用产品差异性较大，其设计 、测试等标准的出台具有一定滞后性 ，所以导致不同厂家生产的产品在结构、性能等方面互换性较差 。同时，LED灯具产品本身就是一个机、光、电等因素的整合，其设计更是涉及到众多领域的技术。 

　　3　LED工矿灯设计实例 

　　LED工矿灯的设计，涉及较多细节，我们按照以下几个重要的注意事项，逐一分析讨论，以此来体现设计流程和方法。
 
　　（1）功率选择
　　（2）光源选择 
　　（3）散热设计
　　（4）机构设计 
    （5）光学设计 


　　3.1　功率选择

　　    传统工矿灯以250W或400W高压钠灯和金卤灯居多，和新型的LED灯具的特性对比，有着较为明显的差别，见下表：

光源	光效（LM/W）	色温（K）	显色指数（Ra）	平均寿命（H）
金卤灯	80	3000、4500、5600	60-95	8000
高压钠灯	80	2300	≤30	8000
LED	＞100	全色温	≥75	≥30000

　　    考虑到在实际使用中的高压钠灯和金卤灯光衰及二次出光问题，其实际发光效率远低于80lm/W，往往无法达到标称的7成。依此我们首次开发的LED工矿灯功率设定为120W左右，一旦光照效果符合预期，即比传统灯具节能超过50%。

　　3.2　光源选择 

　　    目前市面上大功率LED光源比较知名的品牌有：Lumileds（最早的LED）、CREE、OSRAM、NICHIA、普瑞，另外台湾厂商的晶元等也是应用较为普及的品牌。 为保证产品的稳定性，海光照明LED工矿灯选用最为知名的晶元、普瑞、科瑞光源。

　　3.3　散热设计:

　　    在大功率LED工矿灯中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此散热设计也是我们最为重要的内容，以下我们分别从铝基板和散热器两方面结合，来探讨散热设计。

　　3.3.1　基板选用

　　    在LED产品应用中﹐通常需要将多个LED光源组装在一电路基板上。电路基板除了扮演承载LED模块结构的角色外﹐另一方面﹐随着LED输出功率越来越高﹐基板还必须扮演散热的角色﹐以将LED晶体产生的热传派出

去﹐因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。针对基板，我们分别比较了FR4、陶瓷基板以及MCPCB。

　　(1)FR4导热系数约0.36W/m•K，无法满足高功率LED照明散热要求；

　　(2)Ceramic导热系数大于80W/m•K，价格昂贵、加工性差，无法大面积使用；

　　(3)MCPCB导热系数大于2.0W/m•K,价格适中、加工性强，技术成熟可批量生产。

　　3.3.2　散热器设计

　　    散热器的作用就是吸收基板或芯片传递过来的热量，然后发散到外界环境，保证LED芯片的温度正常。绝大多数散热器均经过精心设计，可适用于自然对流和强制对流的情况。即主动式散热器和被动式散热。考虑到

成本及稳定性,我们选用被动散热方式。而被动散热器，根据材料，又分为铝挤型（Al Extrusion）散热器和铝压铸型（Al Die-Casting）散热器；纯铝鳍片式（Fold-fin）是最好的散热器，特殊制造可改为主动散热方式。

　　     关于Heat sink上使用Heatpipe&Fin&Vapor-Champer,经过测试,emitter温度下降不多,再根据工程用灯的稳定性要求，故不考虑使用。

　　3.4　机构设计 

　　    机构设计涉及不仅涉及整灯的机械结构，也涉及到灯具的外形美观。接下来，我们从以下四方面来进行压铸散热器的具体设计。 

　　A.　Best Look 

    B.  Best structure

  　C.　Best Thermal 

　　    散热器的散热性能很大程度是由散热器的机构设计有决定的。材料同为ADC-12的压铸铝，当散热器的外经、Fin片高度、Fin片密度等参数不同时，散热性能可能相差甚远。设计过程中，我们分别选用了四种不同结构

的散热器。

 
　　    通过热流仿真模拟，我们发现Case4散热好，Fold-fin是最快好的散热。
 

　　同时，我们可以得出以下结论：

　　(1) 降低Fin高度的同时增大Heat sink的外径可得到更为有效的散热效果。

　　(2) 同样重量的Heat sink，增高高度与增大散热器直径相比，后者可达到更为有效的散热效果。 

    (3) Case4 Thermal散热可以，我们通过降低Fin的高度去增大了散热器的外径，成本不变的条件下得到最好的散热。

   （4）Fold-fin 铝鳍片式，散热面积大，主动导走热量，鳍片表面不储存热量，得到很理想的散热效果。
　　

    4　LED工矿灯验证结果

　　    为了保证灯具的品质，我们在产品量产出货前进行了配光、Thermal、电气安全、可靠性等方面的一系列测试。

　  5　成本与效益评估

　　    众所周知，相比高压钠灯或金卤灯作厂房照明用，LED工矿灯初期投入成本显然要高出传统灯具很多。然而由于LED光源具有光效高的特点，再加上制成灯具时， LED光源指向性强的优点很容易体现出来， LED灯具较

传统灯具的效率也就高得多，所以其节能特点就能明显地体现出来。