摘要：近年来，大功率LED照明发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。大功率LED照明的普及应用必将在不远的将来成为可能。本文针对大功率LED照明灯具设计中要解决的重点难点问题，如：驱动电路设计，散热设计，防护等级等进行了简单分析，希望能使读者对大功率LED照明灯具的设计有所了解。
关键词：大功率LED；驱动；散热
引言
随着ＬＥＤ产业技术的不断发展，ＬＥＤ作为一种光电元件得到了越来越广泛的应用。从最开始的小功率ＬＥＤ指示灯、ＬＥＤ大屏幕应用，到现在的ＬＥＤ灯饰和大功率ＬＥＤ照明灯具的逐渐普及，ＬＥＤ产品越来越走近人类的生产和生活，ＬＥＤ在照明产业中的应用更是有划时代的意义。作为世界公认的新一代照明材料，ＬＥＤ有很多优势。它高节能无污染，寿命长，适用性好，单灯体积小，可以做成任意形状，响应时间短，为纳秒级，而且ＬＥＤ照明可以做成七彩或白光，色彩绚丽。但是ＬＥＤ用于照明目前还有一些缺点，即价格贵，目前能做到的实际参数和理论值还有差距，另外还需克服发热和光衰的问题。下面就大功率ＬＥＤ照明设计中所需解决的几个问题做一下分析。
１驱动设计
在ＬＥＤ照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择ＬＥＤ驱动器至关重要，没有好的驱动器ＩＣ的匹配，ＬＥＤ照明的优势无法体现。大功率ＬＥＤ是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过ＬＥＤ的电流决定，电流过强会引起ＬＥＤ的衰减，电流过弱会影响ＬＥＤ的发光强度，因此，ＬＥＤ的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率ＬＥＤ使用的安全性，同时达到理想的发光强度。
随着大功率ＬＥＤ普遍在灯光装饰和照明中的普遍使用，功率型ＬＥＤ驱动显得越来越重要。用市电驱动大功率ＬＥＤ需要解决降压、隔离、ＰＦＣ（功率因素校正）和恒流问题，还需有比较高的的转换效率，有较小的体积，能长时间工作，易散热、较低的成本，抗电磁干扰，和过温、过流、短路、开路保护等。
现在各厂商为ＬＥＤ照明开发的驱动器很多，在实际应用中，要根据应用领域，电流，功率，效率，精度等参数，以及成本要求适当选择。
ＰｏｗＴｅｃｈ生产的ＰＴ４１１５是一款ＤＣ到ＤＣ降压恒流式ＬＥＤ驱动器，其特点有：输入范围从８Ｖ到３０Ｖ（ＡＣ或ＤＣ），击穿电压＞４５Ｖ；输出电流高达１．２Ａ，内置大功率ＭＯＦＥＴ；效率９７％；超低的关断电流；±５％输出电流精度；ＬＥＤ开路保护；模拟／ＰＷＭ调光功能选择，５０００：１的ＰＷＭ调光比；内部含有抖频特性，有效地改善了ＥＭＩ。这款驱动器主要应用于ＭＲ１６射灯、ＬＥＤ装饰照明、汽车的辅助照明灯等。图１为ＰＴ４１１５直流输入应用方案。
Ａｄｄｔｅｋ也针对大功率ＬＥＤ的不同应用推出许多解决方案其中ＡＭＣ７１３５是一款３５０ｍＡ超低压差稳流器，推动１Ｗ的高功率ＬＥＤ达到稳定亮度，增加电池总输出功率的效果。其超低压差、低静态电流特性更延长了电池操作时间，无须任何外接组件，并具有输出短路／开路保护与内建过热保护装置，适合应用在要求体积小与密闭空间的ＬＥＤ手电筒；ＡＭＣ７１５０则是１．５Ａ高功率ＬＥＤ驱动ＩＣ，主要应用于一般ＬＥＤ照明与汽车ＬＥＤ辅助照明；Ａ７０４用于ＡＣ－ＤＣ市电大功率照明；ＡＭＣ７１４０用于ＤＣ－ＤＣ大功率照明，可调输出电压；Ａ７０２为ＤＣ－ＤＣ６个通道灯串驱动。
还有许多其它厂家也推出了多款大功率ＬＥＤ照明驱动器进入市场，随着ＬＥＤ照明产业的发展，相信会有更多更好的驱动器可供广大设计者选用。
２散热设计
ＬＥＤ是个光电器件，其工作过程中只有１５％～２５％的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能。所以在大功率ＬＥＤ中，散热是个大问题。若不加散热措施，则大功率ＬＥＤ的器芯温度会急速上升，当其结温上升超过最大允许温度时，大功率ＬＥＤ会因过热而损坏。另外一般功率器件的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度就可以了。但在大功率ＬＥＤ散热设计中，其结温要求比１２５℃低得多，其原因是ＬＥＤ的结温对ＬＥＤ的出光率及寿命有较大影响：节温越高会使ＬＥＤ的相对出光率越低，ＬＥＤ的寿命越短。因此在大功率ＬＥＤ灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。
热是从温度高处向温度低处扩散，大功率ＬＥＤ主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→散热片或壳体→环境空气。
大功率ＬＥＤ在结构设计上十分重视散热问题。典型的大功率ＬＥＤ设计是在管芯下面加一个尺寸较大的金属散热垫，使管芯的热量通过散热垫传到外面去。散热垫的底面与ＰＣＢ的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。在大功率照明灯具设计中为提高散热效率，一般采用铝基板ＰＣＢ，铝基板是一种独特的金属基覆铜板，它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。热通过铝基板传到散热片或壳体结构上，然后再散到灯具外的环境空气。
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。大功率ＬＥＤ照明灯具的总热阻为管芯到散热垫底面的热阻与散热垫到ＰＣＢ的热阻和ＰＣＢ到壳体的热阻以及壳体到环境空气的热阻之和。各部分热阻可以用Ｒ＝（ＴＪ－Ｔ１）／Ｐ的公式计算，其中Ｒ为热阻，单位为℃／Ｗ，ＴＪ为结温，Ｔ１为传热介质的温度，Ｐ为ＬＥＤ工作的功率，等于ＬＥＤ的ＩＦ与ＶＦ乘积。在实际设计中，应根据ＬＥＤ的参数值和各种介质材料的标称或实验参数数据进行热阻计算。经计算获得的ＴＪ节温值如果小于ＬＥＤ的最高节温ＴＪＭａｘ要求，则散热设计不足，需另加散热片或采取其它措施，直到节温满足要求。
可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，灯具的散热性能越好。
３防护等级
防护等级是大功率ＬＥＤ照明灯具的重要参数指标，尤其对用于户外的ＬＥＤ路灯、ＬＥＤ射灯等要求防水防尘的照明灯具。这类灯具要求全天侯工作于室外，对防护等级，高低温，防腐蚀等指标的要求较高。
ＩＰ防护等级是用两个数字标记的，例如：ＩＰ６５。第一个数字表示防固体物质等级等级，从第０级的“无防护，无专门的防护”到第６级的“不透灰尘。无灰尘进入”，共有７个级别；第二个数字表示防液体物质等级，从第０级的“无防护，无专门的防护”到第８级的“防护水淹没”。在制造商说明的条件下设备可长时间浸入水中，共分９个等级。数字越高，对灯具的要求越高，说明灯具对环境的适应性越好。
一般户外大功率ＬＥＤ照明灯具（如ＬＥＤ路灯），要求的防护等级为ＩＰ６５（即要求灯具不透灰尘，防溅水）或更高。这就对灯具的外壳和散热设计提出了更加严格的要求，要满足防水防尘条件就要将灯具密封，但是密封又会带来无法热散的问题。在实际设计中，通常采用铝质散热片结构，和铝质密封壳体相结合的方法，为了满足高要求的散热环境，ＬＥＤ灯或ＰＣＢ板背面的散热片可采用与铝壳体相接触的设计，尽量增加热传导，而不是通过对流和扩散的方式散热。这样设计出来的壳体质量轻，散热好。
４总结
尽管大功率ＬＥＤ照明目前还存在许多问题，如ＬＥＤ灯具价格较高，目前能做到的光效率和理论值光效率还有很大差距，目前能做到的寿命与理论寿命（１０Ｗ小时）还有很大差距，还有发热的问题，以及减少光衰的问题等，这些问题使得大功率ＬＥＤ照明灯具短期内难于普及。但是相信随着ＬＥＤ产业上游技术的不断发展，这些问题必将在不远的将来得以圆满解决，ＬＥＤ照明的民用普及时代必将到来。