解析LED球泡燈需要注意的技術細節

進入2011年以後，led逐漸向室內照明進軍，這也意味著開始向民用家庭進軍。一方面這是一個大喜事，因為民用的市場是非常之大；另一方面也是一個極為嚴重的挑戰，因為民用市場要求成本特別低，可靠性特別高。現在離開完全滿足民用市場的要求還很遠，可以說還有很長的路要走。

最普通的民用燈就是白熾燈，也就是我們普通用的燈泡。所以如果LED要取代白熾燈泡，就要開發出一種無論在燈頭形狀還是外型上都和白熾燈泡類似的燈泡，這就是我們通常稱為LED球泡燈。可以想像，球泡燈的市場是十分巨大的。

一．對LED球泡燈的要求

因為要替換白熾燈，所以至少要有以下幾方面的要求：

1.亮度要相當白熾燈通常只講瓦數而不講流明數。LED雖然也可以只講瓦數，但是由於LED的光效還在不斷發展，只說瓦數並不能代表其流明數。白熾燈最常用的瓦數有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。如果要講流明數，那麼可以用白熾燈的發光效率來計算。白熾燈的發光效率在7.5-12lm/W。瓦數越大效率越高。所以上面列出幾種瓦數的白熾燈的相對流明數可以列表如下：

白熾燈瓦數 W1530456075100發光效率lm/W7.588.59.510.512流明數 lm112.5240382.5570787.51200LED1瓦數 W1.563.35.37.910.916.6LED2瓦數 W1.22.64.16.18.412.8

如果採用LED來取代，也可以得出相應的瓦數。但是因為LED的發光效率在不斷攀升，所以很難給出準確的數字。假定採用目前通常的LED1，其光效為100lm/W，假如採用最高光效的LED2，其光效為130lm/W（暖白的光效會低於此值）。就可以得出對這兩種光效LED相應的瓦數來。但是因為LED需要恆流源，而恆流源有一定的效率，假定為85%，另外因為LED不可能採用透明泡殼，而只能採用乳白泡殼。其透光率大約為85%。二者相乘等於0.72。.考慮以上因素以後就可以得出和白熾燈相當的瓦數來。由表中可見，LED2在同樣亮度時大約可以節省10倍的功率。有一點需要特別說明的。就是從目前LED球泡燈的光效和散熱來說，它還不可能做到10瓦以上，也就是說目前還只有可以取代60-75W白熾燈的LED球泡燈。當然PAR燈就另當別論了（後面將討論）。

2.外形要類似通常白熾燈為梨形的，所以LED球泡燈也應當為梨形的。這點是很容易做到。但是白熾燈為全玻璃製品，LED因為要散熱就很難採用全玻璃的結構。下面會詳細討論LED球泡燈的結構。

3.體積大小要相當，因為LED需要恆流源和散熱器，所以這是非常難做到的

4.重量要相當，同樣因為LED需要恆流源和散熱器，所以這也是非常難做到的

5.燈頭要相同中國過去大都是採用卡口式，改革開放以後大都改用和美國一樣的螺口式。就是美國的E26或E27。這點也還是很容易做到的

6.電源要相同，都應該是220VAC（或美國的110VAC），這也是沒問題的

二．LED球泡燈的結構

LED球泡燈可以分為外部結構和內部結構。我們先來看一下它的外部結構。一個典型的LED球泡燈的外形如圖1所示（這是作者最近在美國矽谷Fry’s電子商店上看到的最大功率的LED球泡燈，價$40）：

圖1.LED球泡燈的外形

這是一個5W的LED球泡燈，全長13cm，散熱器長5cm，直徑4.5cm，泡殼長5.2cm，直徑5.5cm，重量114克。它大約可以取代45W的白熾燈。其外部結構主要包括3個部分，一個是燈頭，二是散熱器，三是泡殼。而內部結構則主要是2部分，一是恆流驅動電源，二是LED燈板（包括鋁基板和LED）在內（圖2）。

圖2.球泡燈的構成

下面分別來討論這幾個部分的構成。

三．球泡燈的電源

因為球泡燈都是用市電供電，所以電源也必須是市電交流輸入的，英文稱為Off-Line，有把中文譯成離線式是很不恰當的，因為英文原意是FromLine的意思，應該譯成在線，但又會和網絡的在線相混，所以不如就直接稱為市電式電源。

球泡燈的市電式電源基本指標如下：

1.電源基本類型：主要分隔離式和非隔離式兩種，那是指負載端是否與火線220V隔離。一般說，非隔離因為不需要隔離變壓器，所以成本低，但要求鋁基板耐壓高，否則散熱器就有可能帶電。所以比較不容易通過安規檢驗。隔離式就比較安全，比較容易通過安規，但成本高。

2.電源輸出功率：因為球泡燈的體積大小必須和玻殼的白熾燈相當，所以散熱器大小有限，目前還不能超過9W。

3.電源效率：一般隔離式在80-85%左右，非隔離式在90%左右

4.電源功率因數（PF）：不加PF校正在0.5-0.6,加PF校正在0.9-0.99左右

5.體積大小：由於球泡燈留給電源的空間很小，所以體積的限制很嚴。

下面來介紹幾種典型的球泡燈電源。

3.1非隔離式電源

下面是一個採用美國安森美NCP1014的非隔離式電源原理圖（圖3）

圖3.非隔離式電源原理圖

這個電源的基本指標如下：

輸入電壓輸出功率輸出電壓輸出電流LED數效率功率因數90-265VAC10W250-400VDC10-35mA75-12080%>0.9

圖4.NCP1014LEDGT外形圖

其實這個電源的核心就是一個恆流二極體NSI45025，以確保LED恆流在25mA。所以它只能用於小功率貼片式的LED。其中外加的集成電路NCP1014實際上是一個有源式的功率因數校正（PFC），可以把它的功率因數提高到>0.9以滿足美國能源之星的要求。輸入端的L1,C1,C2是一個防電磁幹擾EMI的濾波器。它的缺點是非隔離，所以220V會直接加到負載LED上。

其實假如不要求功率因數的話，那麼採用恆流二極體(CRD)的電源方案可以做得很簡單（圖5）。

圖5.最簡單的採用恆流二極體的球泡燈電源

這種電源的功率因數大約在0.5-0.6之間。因為電路簡單，所以體積可以做得很小，而且成本很低。

3.2隔離式電源

為了提高安全性，最好採用隔離式電源，這樣就多了一個隔離變壓器，增加了體積、成本，降低了效率。圖6是一個採用iWatt公司iW3610的反激式隔離電源電路圖。其實這個晶片和Cypress公司的CY8CLEDAC02十分類似。

圖6.採用iW3610的隔離式電源的電路圖

其主要技術指標如下表所示：

輸入電壓輸出功率輸出電壓輸出電流LED數效率功率因數100-230VAC14.7W21VDC700mA6x2W85%0.9

這個電路還可以自動檢測牆上有無可控矽調光器，如果有的話就可以調光，其調光範圍可以從2%調到100%。而且最後採用了PWM調光，調光頻率高達900Hz，因此避免了閃爍。另外由於採用了準諧振控制使其總效率高達85%。它還有一個特點是採用變壓器初級反饋從而取消了光耦合器件。它的外形圖如圖7所示。其外形是專門為球泡燈而設計。

圖7.iW3610的演示板

四．球泡燈的散熱器

球泡燈的LED通常焊接在一塊鋁基板（LED底板）上，這塊鋁基板再和一片圓形鋁散熱板固定，然後再把這塊鋁散熱板固定到散熱器外殼上去（見圖8）。

圖8.LED底板如何固定到散熱器上去

圖中的鋁散熱板上可以看出有精加工的痕跡。經過精加工以後LED底板就可以直接固定上去，否則的話，二者之間會有氣隙，需要塗覆矽導熱膠以改善導熱。

球泡燈由於體積的限制所以散熱是一個大問題。無論是哪種散熱器都是只能依靠對流和輻射兩種方法來把熱量散發到空氣中去，而這兩種散熱的能力都是和它的散熱的面積成正比。而球泡燈的散熱面積可以如下計算。假定其散熱器可以近似為一個截去尖頂的圓錐體。假定大圓錐體的高度為H，直徑為D，而截去的小圓錐體的高度為h，直徑為d。

圖9截頂的圓錐體

圓錐體的側面積為πHD/2，所以截去一個尖頂以後的側面積是πHD/2-πhd/2=π(HD-hd)/2。假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那麼這個截頂以後的側面積就是48.7cm2，可近似為50平方釐米。而因為大多數散熱器都開了溝槽，以增加其散熱面積，開溝槽以後所增加的散熱面積為溝槽深度g乘長度l再乘2，再乘以溝槽數。假定溝槽平均深度為0.3cm，長度為5cm，溝槽數為46個，那麼開溝槽以後增加的面積為0.3x5x2x46=138.cm2。總計散熱面積為188cm2。根據經驗數據，每瓦所需要的散熱面積大約在35-60cm2。具體要多大取決於環境溫度和允許的升溫。因為球泡燈大部分是用在室內，環境溫度不是很高，所以可以採用35cm2/W。所以188cm2的散熱面積可以散大約5.3W左右。不過這只是極為粗略的估計，可以得到一個數量級的概念而已。真正的散熱情況還是要實際測定才可以。

日本的技術在線拆解了幾種LED球泡燈。並實測了其泡殼溫度，結果如下表所示：因為室溫是相同的，

公司品名勤上 7.5W東芝 7.2W三星 7.1W真明麗 7W錦湖 6W飛利浦 6W比亞迪 4.8W三星 4.7WStar Comgistic 4W表面溫度43℃61℃47℃45℃48℃47℃45℃45℃38℃輻射率0.640.370.610.940.960.960.970.71

圖10幾種球泡燈的外殼溫度

圖中的球泡燈功率從7.5W到4W。溫升最低的是4W球泡燈，其外殼溫度為38度。溫升最高的為東芝照明的7.2W球泡燈，其表面溫度高達61度。這是因為東芝的球泡燈散熱器沒有開槽溝的緣故。所以不開槽溝的散熱器，雖然表面光滑，外形好看，但其散熱效果會差很多。而表面溫度越高，在同樣的系統熱阻和功耗情況下，LED晶片的結溫也越高，LED的壽命就越短。

由於球泡燈散熱器面積的限制，所以很難散熱超過7-9W。根據目前的LED光效，它的流明數也就相當於60W白熾燈。隨著以後LED光效的逐年提高，相信會出現同樣大小而能取代100W的白熾燈。

散熱器的材料目前大多數採用鋁合金，因為成本低廉，加工容易，而且導熱性好。但是最近出現了很多絕緣的塑料散熱器和陶瓷散熱器，其散熱效果也不差。因為最後的散熱主要靠對流和輻射。而對流完全由其形狀和面積決定。輻射則和材料的輻射性有關。各種材料的熱輻射係數如下表所示：

材料鋼鑄鐵不鏽鋼鋁銅導熱塑料拋光未氧化0.050.20.1- 0.250.02- 0.10.04- 0.050.8-0.9粗加工輕微氧化0.50.50.2-0.40.4嚴重氧化0.7- 0.950.8- 0.950.850.3-0.40.8

由表中可見，氧化處理是改進金屬材料的輻射散熱的重要途徑。而導熱塑料則不需要任何氧化處理就可以達到極高的輻射係數。因此只要其外形和金屬散熱器一樣，那麼其對流和輻射的效果是和金屬散熱器的效果是相同的。但是其熱傳導性能肯定不如金屬，所以整體散熱效果會差一些。但是如果把它做得儘可能薄，再加上一層金屬的內壁，就可以把這個熱傳導低的不利因素降至最低。現在已經有導熱係數大於20w/mk的塑料，但是其單價比較高。陶瓷散熱器的情況和塑料散熱器情況一樣。只是其導熱係數可以做得更高，當然成本也要高很多。圖10是上海龍茂微電子公司的6W塑料外殼球泡燈。它的散熱器溫度為67度。

圖10一個6W的塑料散熱器LED球泡燈

塑料和陶瓷的最大優點是絕緣，所以即使採用非隔離電源也容易通過安規檢驗。

此外，為了改善泡殼裡恆流驅動電源的散熱，通常都要加入導熱密封膠，以取代導熱差的空氣。還有一種方法是在散熱器上打孔，以便空氣的流通。但是就會有防水的問題。

五．球泡燈的泡殼

所謂泡殼就是指前面透明的玻殼。在白熾燈中，全部都是由玻璃做成的外殼，但是在球泡燈中，雖然也可以用玻璃做前面的外殼，實際上也是有這樣做的。但是因為LED球泡燈重量很重，要比白熾燈重5倍以上，如果用玻璃做的話，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的LED球泡燈採用塑料做泡殼，以防摔壞。而且LED球泡燈因為熱量都從散熱器散出去了，所以通過泡殼的光大都是可見光，很少有發熱的紅外線，所以採用塑料來做泡殼也不會由於過熱而損壞。

但是塑料外殼的最大問題是透光率的問題。因為LED存在眩光的問題，所以儘可能採用乳白色的泡殼，以免看到裡面的LED燈珠。而乳白色的泡殼。其透光率就更成問題了。所以對於用於LED球泡燈泡殼的塑料有以下要求：

1.具有高透光、高擴散、無眩光、無光影；

2.光源隱蔽性要好（儘可能看不到LED燈珠）；

3.透光率達到90％以上；

4.具有高阻燃性；

5.具有高抗衝擊強度；

現在國內有一種稱為智光LED光學燈罩的據說可以實現所有以上要求（圖11）。

圖11各種LED塑料泡殼

假如真的可以實現94%的透光率，而且還能防眩光，無光影，那麼真的是十分理想的了。其外觀圖如圖12所示。

圖12智光LED光學燈罩的外觀圖

六．幾種品牌LED球泡燈

下面列出了幾種市面上批量生產的品牌LED球泡燈的實測結果

公司型號電壓 VAC輸入功率 W 發光流明 lm光效 lm/W額定壽命萬小時重量(無光罩)克 東芝1008.7W81093東芝LDA7N1007W600834萬58東芝E-Core1004.3W31072松下1006.9W57082.6松下1004.0W34085夏普1007.5W485 (日光)64.6380（暖白）50.6三星2207W540765萬140三星2206W320685萬134錦湖IL-6W100-2205W350605萬152勤上SLA190790-2656W525703萬145燦星網通公司TSK-8E014W1103W 220554萬比亞迪100-2504W210444萬真明麗1105W30046.23萬飛利浦ECOA552206W240404.5萬114

可以注意到一個60W的玻殼白熾燈重量只有28g。要比這些LED球泡燈輕5倍左右。另外表中的發光效率不是LED本身的發光效率，而是指整個球泡燈的發光效率，其中包括了電源的效率和光罩的透光率。所以，要能達到100lm/W的整體光效還有一段路程要走。

七．LEDPAR燈

PAR燈實際上是飛利浦公司的一種大功率滷素燈的規格，飛利浦把它稱為「氯銨燈」。但是這個名字並沒有得到推廣。一般稱為「筒燈」或者「射燈」。而射燈主要是指那種具有MR16插座的燈，所以我們暫時還稱它為PAR燈或筒燈。因為要和這種PAR燈兼容，所以大功率LEDPAR燈就也採用和PAR燈相同的尺寸。只是結構不同，瓦數不同，亮度不同。飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖如圖13所示。而相兼容的LED的PAR燈，其外形尺寸和他們完全相同（圖14）。

圖13.飛利浦公司的PAR20、PAR30和PAR38的外形圖

圖14和PAR20、PAR30、PAR38相對應的led筒燈

採用LED以後，由於沒有統一的規格，所以具有各種不同的性能指標，現在選擇其中比較典型者和原來飛利浦滷素燈的指標比較如下表所示。

功率電壓VAC射角(度)光強壽命(小時)PAR2050W230251000cd2,000LED PAR205x2W100-24015,30,45,60,90330 lm>50,000PAR30100W230303000 cd2,000LED PAR307x2W100-2408,15,30,45,60,90680 lm>50,000PAR38100W23010,308500(10o) 2500(30o)2,000LED PAR3812x2W100-2408,15,30,45,60,901,140 lm>50,000

其中光強指標二者所用的單位不同，飛利浦採用cd（燭光），而通常LED則採用lm（流明）。二者的關係如下：φ（流明）=4πI（燭光）。但是因為二者的發射立體角不同，所以無法換算。只能大致說，滷素燈的發光效率大約為17-33lm/W。而LED的發光效率在100-130lm/W。約比滷素燈高4-6倍。

PAR燈和球泡燈的結構基本相同，只是體積大一些，瓦數大一些。因此要求的電源功率也要大一些。

今年2月美國凌特公司宣布了一個用於LED恆流驅動的IC（LT3799），它可以驅動4-100W的LED，而且本身帶PFC，外置功率MOSFET開關管，反激隔離式而不需要光耦合器，外置元件減到最少，而且還可以用於可控矽調光。

圖15可用於高功率LEDPAR燈的反激式隔離型恆流電源

這個電路圖是一個給24瓦PAR燈用的演示板的電路圖。其主要技術指標如下：

輸入電壓輸出功率輸出電壓輸出電流LED數效率功率因數 90-270VAC25W25VDC1A8x3W83-86%0.92-0.99

它的演示版的布置圖如圖16所示。具體應用時當然也可以設計成圓形。

圖16.LT3799的演示版

這個市電恆流源因為功率大，而且可以適應4-100W的寬功率範圍，所以一定是採用外置MOS開關管，而且也因為功率大，所以要求採用功率因數校正（PFC）。對於不同的功率，除了要選擇不同的MOS管外，還要求選擇不同大小的變壓器。變壓器加大了整個恆流源的體積和重量，降低了效率。但是這是為隔離市電所必需的。

八．LED球泡燈的市場前景

據有關方面估計，LED將以每年30%以上的成長率增長直至2014年。LED球泡燈如果要全部取代白熾燈的話，其全球市場規模達到6400億美元，而到2010年12月為止，LED球泡燈銷售量為2000萬顆。其市場滲透率只有3.2%，預計到2013年可以達到12.5%。也就是相當於800億美元的銷售額。而其單價將以每年15-20%的速度遞降。一個能夠取代60W白熾燈的LED球泡燈，在2008年賣90美元，到2010年就只賣40美元。

而中國更是生產和使用白熾燈的大國，2009年生產的白熾燈37.9億隻，約為全球產量的三分之一，本國每年消費14億隻。但是中國還沒有規定何時禁止白熾燈的生產的日期，而只是準備通過徵收消費稅來加快淘汰白熾燈。然而，目前也只是準備用節能燈來取代白熾燈，而不是用LED球泡燈來取代。所以雖然中國也生產了不少LED球泡燈，但是主要為出口。本國銷售的只佔極少數。其根本的問題還是價錢太貴。不過隨著LED發光效率的提高，生產成本的降低，LED球泡燈一定會有一天能夠全部取代白熾燈。假定取代全中國的白熾燈需要10年的時間，我們可以來粗略地估計一下這十年裡在中國LED球泡燈的取代過程。

2011201220132014201520162017201820192020取代率0.5%1%3%8%15%30%50%70%90%100%數量700萬1400萬4200萬1.12億2.1億4.2億7億9.8億12.6億14億單價$40$35$30$25$20$15$10$7$3$1總值280M0.49B1.2B2.8B4.2B6.3B7.0B6.86B3.78B1.4B

*由於人民幣匯率不好預測，所以以美元計

現在LED的最高發光效率大約為140lm/W，預計到2020年，LED的光效將要提升到240lm/W。這就可以降低電源功耗，減小散熱器體積和重量。從而降低整個LED球泡燈的成本。那時候，LED球泡燈全面取代白熾燈的時代就會到來！