1、厂房照明用 LED 工矿灯研发案例分析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
2、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，如图所示：功率选择光源选择 散热设计机构设计 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：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
3、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 、，另外台湾厂商的晶元、艾迪森以及国内的封装大厂深圳万润、珠海瑞丰、江西联创等也是应用较为普及的品牌。 为保证产品的稳定性，此工矿灯我们选用最为知名的 CREE 光源。3.3 散热设计:在大功率 LED 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
4、 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/mK，无法满足
5、高功率 LED 照明散热要求；(2)Ceramic 导热系数大于 80W/mK，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/mK,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器。其各自的性能特点见下表： 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
6、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，各自的特点如下：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 对于外观，我们设想了以下两种形式。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
7、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，对其进行了热流仿真模拟，如下图：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。如下表：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
8、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，以下为各项测试的验证结果。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。下表为我们的 120WLED 工矿灯与传统 400W 高压钠灯的一个投资效益分析。6 结 语该款 LED 工矿灯从设计初期到量产出货，经历了多次修改完善。其中通过研发工程师与业务部门的及时沟通和紧密配合，使产品品质和外观都获得市场较佳的认可。另有不少设计细节，如 Grease 的选用，防水圈的处理，PC 罩的改进，电源的选择等等,都始终处于不断地完善中。至于更为合理精致的设计方案，在此也欢迎各位读者的不吝赐教。谢谢！深圳亚锐光电科技有限公司、LED 铝鳍片工矿灯、厂房灯
