大功率LED路灯设计方案

大功率LED路灯设计方案

大功率LED路灯之全方面解析

一．普通路灯与LED路灯的现状与未来

目前LED路灯改造的成本仍存在压力，以60W灯具看，市场上LED整体灯具的价格在3000-3800元左右，传统的250W高压纳灯仅需要1000-1300元，两者的价差还相当大。但Haitz定律让我们看到希望，据估计，LED成本每年将以10%速度逐年递减，再加上LED新路灯整合制造成本，LED与传统高压纳灯的成本差距将压缩到2倍之，考虑到后期的电费与维护成本，LED路灯的综合优势将使其逐渐成为照明市场主流。

二．LED路灯与传统路灯的竞争力

三．2007年道路照明技术

LED省电率100% 41.5-62.4% 45.1-64.7% 56.3-71.8%

四．多个LED密集排列的照明系统

•器件耗散功率：20w

•散热面积：330cm2

•底板温度将达83 °C以上。(环境温度25 °C)

•芯片结温将达100 °C

上图案例必须考虑更有效的散热途径

大功率LED光条结构与新型准值LED光源的设计

1）破坏性创新大功率LED光条结构包括一高功率LED模块，一散热灯条及一控制电路板，其高功率LED模块产生的热，直接传热到散热条上散热，控制电路板悬空设置于散热灯条的容置区，其上、下两面不接触散热灯条，因此产生的热源可通过上、下两空间充分散热，从而降低高功率LED模块产生的热的相互加乘的不良影响增加本高功率LED光条的稳定性与使用寿命，另外，在电路板基座的两端分别焊有A、B端子座，用于相同的两光条相互串联，使用者可根据实际需要自行组合。

另外，高功率LED光条结构还提供一简易的组装方法，可以简单更换高功率LED模块光源，透明灯罩、反光灯罩、聚焦透镜等多种多用途使用方式。

2）当LED应用于投射照明时，需要设计一种高效的准直LED光源；

3）如采用二次光学元件——准直透镜，与封装后的LED配合使用，则由于空隙的存在，必然会引起反射损耗；

4）设计了一个直接对LED芯片进行封装准直的透镜系统。

LED准直透镜的设计分为两部分：

1.编程计算准直透镜的二维曲线；

2.采用蒙特卡罗方法对采用二维曲线生成的三维实体进行模拟验证。

准直LED光源光强的参数

1.准直透镜系统的出光效率：为球透镜LED的88%。

2.对于1 mm2的芯片，其q1/2理论值为9.6°。

3.其q1/2实际测量值为12.6°。

准直LED光源光强远场分布

扁翼LED光源光强远场分布

大功率LED路灯的关键技术整合

1．LED选购策略

–长寿型封装材料

–LED抗熱性、導熱結構优化产品。

–一次光学

2．电子工程实施策略

–LED恒流恒压低温驱动技术

–微型大功率DC/AC低温电流解决方案3．灯具设计策略

–符合IP66/IP67解决方案

–多样化,全天候无灯壳设计方案

–模组化散热设计方案

–二次光学

–灯具美学

4．散热材料选用策略

–采用6063牌号铝合金

–采用TSD氮化硼瓷散熱塗料

5．导/散热技术策略

–刺猬型散热鳍片设计方案

–散热鳍片表面图妆方案

–软性硅胶导热片

6）SR系列大功率 LED路灯的低温设计方案

•选用部热导效率高的低温型LED

•LED恒流恒压低温高亮驱动解决方案

•设计低温型市电AC2DC供电模块

•选用高散热效率的灯具材料

•设计高散热效率的散热模块

•应用提高散热效率的表面涂层技术

•选用高散热效率的灯具材导热

•设计高散热效率的灯具

7）芯片尺寸与散热的关系

❖提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率，而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n 结的尺寸；

❖增大输入功率必然使结温升高，进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n 结导出的能力；

❖在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下，单独增加芯片的尺寸, 结区温度将不断上升。

8）影响芯片尺寸的主要因素——热阻

•倒装焊更有利于散热，但凸焊点的热阻还需减小。

•导热银胶的热阻有待改善。

•封装材料方面，传统的环氧胶高温性能不佳。

多个LED密集排列的照明系统

9）＃6063铝合金具有良好的导热性

•从材料的导热性能来看，银最好、铜、金次之、然后是铝，但是金、银的价格相对昂贵，不适宜大量使用；

•铜的导热性比铝好，但是铜比铝重约两倍而且加工成形性差，只能制作成简单的形状；

•铝的导热性良好、重量轻、比铜便宜而且耐腐蚀、利用加工设备可以制成各种复杂的形状，能满足电子电力行业对散热器的诸多要求，因此被认为是制作散热器的最佳材料；

•而6063铝合金具有良好的导热性,成形性,强化处理后强度适中适合各种机加工,是制造型材散热器的首选材料。

散热鳍片体表面积变化与散热效能示意图

10）铝材散热器的散热面积是怎么计算的？

铝材散热器的散热面积等于（周长×截断长度），其中：周长是厂家图纸提供的，截断长度由用户确定；简单地可以用（2×翅片高度×翅片数量＋底板宽度）×截断长度来估算；如果翅片上带小齿，其散热面积比不带小齿（光齿）的翅片增加15％左右。

11）采用TSD氮化硼瓷散熱塗料

1．TSD氮化硼瓷散熱塗料具有耐高溫、高散熱、高導熱、高熱輻射、絕緣及抗腐蝕、耐強酸強鹼等特性，是散熱解決方案最佳的選擇。

2．用途: TSD氮化硼導熱/散熱塗料是市場上最具價值的散熱塗料之一，不論是任何金屬材質、塑膠或其他複合材質，皆可使用TSD氮化硼導熱/散熱塗料來提升散熱效能，並且使用方便、簡單，消費者可輕易DIY施工。

3．說明: 六方片狀氮化硼具有良好的熱導能力，並且其高熱輻射的特性即使在無風的狀態下，亦可持續進行散熱作用。

12）散热器的表面颜色对散热性能有什么影响？

1．通常散热器的表面颜色制成银白色（铝本色）、黑色、金黄色及其他鲜艳的颜色，由于黑色的热辐射能力最强，在自然对流的条件下，黑色的散热器比银白色的散热能力提高5％左右，而金黄色及其他鲜艳的颜色，则不会增加散热能力或增加极小，但对表面能起到保护作用。

2.在强制冷却（如风冷）条件下，散热器表面颜色对散热性能没有影响。

13) 采用TSD氮化硼瓷散熱塗料

1. 空氣冷卻很重要的一個因素接觸空氣的面積，面積越大散熱效果越好，一般金屬表面平滑，而使用

氮化硼導熱/散熱塗料後的金屬成不規則片狀表面，以冷排為例，好比散熱鰭片上又多了許多小鰭片，此時接觸空氣的面積比原先約增加50%。

2. 導熱特色: 六方片狀氮化硼具有極優的熱導能力，由下表可看到六方片狀氮化硼的熱導率優於鋁僅

次於銅，且氮化硼熱幅射能力更是其他材質無可比擬的，由此可知氮化硼是導熱散熱的最好選擇。

材質熱導率 (W/Mk)

Cooper 銅385

hbn 氮化硼300+

30% AlSi 鋁矽200

Aluminum 5052 鋁150

Brass 黃銅109

Tin 錫92

Lead 鉛34.7