LED高導(dǎo)熱塑料工礦燈設(shè)計(jì)技術(shù)

為了迎合市場和客戶的需求，企業(yè)必須創(chuàng)新設(shè)計(jì)出多種LED照明燈具的安裝方案和造型。現(xiàn)有的LED照明相關(guān)器件和材料已不能滿足不斷變化的市場，需要不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路和工藝，研發(fā)新材料，才能開發(fā)出新一代LED照明燈具。

一、LED高導(dǎo)熱塑料工礦燈

傳統(tǒng)的工礦燈依據(jù)低電壓、大電流的LED燈珠工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，如集中封裝的COB在點(diǎn)亮?xí)r造成燈具高熱且難以散發(fā)，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師頭疼的難題。

高導(dǎo)熱塑料的出現(xiàn)為工礦燈提供1種散熱好、耐腐蝕、絕緣性能好的新一代散熱材料，工礦燈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)因此有了可選擇的創(chuàng)新方案。如圖1所示2個不同散熱材料、不同方案設(shè)計(jì)的功率為100W的LED工礦燈，圖1（a）是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的LVLED（低壓光源）工礦燈，采用低電壓、大電流COB的LED燈珠光源板，外置驅(qū)動電源，多鰭片鋁合金散熱器，整體質(zhì)量5～6kg；圖1（b）是采用HVLED（高壓光源）均布技術(shù)光源板，高壓線性恒流驅(qū)動電源，和高導(dǎo)熱塑料散熱器，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的新一代工礦燈，整體質(zhì)量僅1.85kg。

二、高導(dǎo)熱塑料

高導(dǎo)熱塑料，顧名思義就是導(dǎo)熱性能優(yōu)良的塑料。高導(dǎo)熱塑料導(dǎo)熱系數(shù)約2～9W/（m·K），耐壓AC6 000V（交流電工頻耐壓）、耐高溫、耐酸堿鹽霧腐蝕和阻燃等級高，適合于擠塑、注塑成型的自動化、大批量生產(chǎn)，產(chǎn)品無需任何后續(xù)工序，大大降低了制造成本，生產(chǎn)過程環(huán)保無污染。

塑料有石化塑料和生化塑料2大類，分別來自于石油和植物。石化塑料從石油的分解過程中獲取，但石化塑料廢棄之后很難自行分解。生化塑料來自植物，廢棄時只要加以粉碎，在一定濕度和微生物的作用下，埋入地下幾年就可自行完全降解，非常環(huán)保。

石化塑料制品在為人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r，也產(chǎn)生了一系列問題，其中白色污染和石油短缺最為嚴(yán)重。為了解決這些問題，一種可完全降解的生物塑料——改性聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）應(yīng)運(yùn)而生，它既具高導(dǎo)熱性能，又具有良好的絕緣性能，正是LED照明所需要的理想散熱新材料。

PLA是以乳酸為主要原料的聚合物。其合成原料主要來源于植物性淀粉（俗稱“玉米淀粉”），它不僅可以持續(xù)利用，而且對環(huán)境無任何污染，因此是目前國際上公認(rèn)的理想的綠色材料。高導(dǎo)熱生物塑料由PLA多次改性而成，導(dǎo)熱速度快、散熱好是主要特點(diǎn)，又具一定的剛度，可以廣泛應(yīng)用于不同功率（3～200W）的LED燈具。高導(dǎo)熱塑料具有抗紫外線，耐酸堿鹽霧腐蝕的特性，尤其適合在一些特殊要求的環(huán)境中使用，如海邊、碼頭、海洋船舶，有鹽霧及酸堿濃度較大的使用環(huán)境。

三、高導(dǎo)熱塑料散熱器特性

與傳統(tǒng)LED工礦燈使用的鋁散熱器相比，高導(dǎo)熱塑料具有鋁散熱器所不具備的優(yōu)異性能。

1.絕緣特性

高導(dǎo)熱塑料的絕緣特性，使整燈產(chǎn)品可采用各種不同的電源方案，如非隔離開關(guān)恒流驅(qū)動電源方案，高壓線性恒流驅(qū)動電源方案，無需體積大、價格貴的外置電源。有效地降低了整燈成本，提升了效率，縮小了產(chǎn)品體積。

2.耐酸堿、鹽霧腐蝕

整燈產(chǎn)品能廣泛應(yīng)用在各種惡劣環(huán)境中，如海洋，沙漠，井下等腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境，有效地避免了鋁件散熱體由于鹽霧、濕度等惡劣環(huán)境所造成的氧化、腐蝕和銹蝕。

3.加工特性

直接采用注塑方式制作，一次成型，光潔度高；避免了鋁件作為散熱體的后續(xù)多道加工工序的成本，生產(chǎn)過程無任何重金屬污染，以及廢水廢氣的排放。

4.塑包鋁結(jié)構(gòu)

既可充分發(fā)揮鋁傳導(dǎo)熱量速度快的特性，又可以充分發(fā)揮散熱材料熱對流輻射能力特性，散熱效果比單獨(dú)使用鋁件更為有效。

5.整燈產(chǎn)品質(zhì)量小

由于散熱效果明顯，整燈產(chǎn)品的體積更小，質(zhì)量更輕，滿足同一尺寸散熱體用在更高功率產(chǎn)品的需求。

6.環(huán)保特性

高導(dǎo)熱塑料使用PLA玉米淀粉作為原料，具有全降解的特性，更符合國內(nèi)外的環(huán)保要求，更易被客戶所接受。

7.特殊燈具的應(yīng)用

如在防爆燈的應(yīng)用方面，由于絕緣散熱材料具一定的剛度，可以取代金屬作為防爆燈的外殼，可大幅減少制造工序，降低成本。

四、高導(dǎo)熱塑料工礦燈設(shè)計(jì)方案

高導(dǎo)熱塑料工礦燈采用由高導(dǎo)熱塑料為主體全塑料或塑包鋁散熱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)套件，和集光電于一體的鋁基板光電引擎組成。圖2是高導(dǎo)熱塑料工礦燈外觀圖，（a）是集光電一體的光電引擎，（b）是帶散熱鰭片的高導(dǎo)熱塑料散熱器。光電引擎采用無變壓器、電解電容器和電感器的高壓線性恒流驅(qū)動電源；采用均布HVLED的光源燈珠布陣設(shè)計(jì)技術(shù)。光電引擎上的LED燈珠、高壓線性恒流驅(qū)動電源芯片、整流橋堆、貼片電阻、電容均可一次在表面貼裝技術(shù)設(shè)備（SMT）上自動焊接，生產(chǎn)效率高。

高導(dǎo)熱塑料可過6 000V高壓試驗(yàn)，因此，設(shè)計(jì)成整燈，系統(tǒng)過EMC、CE、UL、TUV等認(rèn)證都很方便。

五、高壓線性恒流驅(qū)動電源

高壓線性恒流驅(qū)動是LED照明新一代的恒流驅(qū)動電源。高壓線性恒流驅(qū)動電源芯片利用AC-DC整流后的脈動直流按電壓分段驅(qū)動HVLED的燈珠串，使它們在短時間內(nèi)瞬間順序點(diǎn)亮發(fā)光。由于這個過程從開始到結(jié)束只在短短的在1/50s，所以人眼無法看到順序點(diǎn)亮的過程，只能感覺LED燈珠一齊點(diǎn)亮。

120W工礦燈的光電引擎如圖3所示，HVLED采用多芯封裝的、18V輸出的5 730燈珠，采用均布技術(shù)設(shè)計(jì)，有利于每顆LED燈珠的散熱。高壓線性恒流驅(qū)動采用SW5 907高壓線性恒流驅(qū)動芯片。光電引擎上的零部件十分簡潔。

SW5907是韓國新一代的高壓線性恒流驅(qū)動芯片，在220V的情況下可單顆支持20W，最大輸出電流120mA，PFC>0.95，且具有自動過溫和過壓保護(hù)，內(nèi)置4個耐壓500V的MOS管。其獨(dú)有的專利技術(shù)，可在電壓大幅波動20%的情況下，保持功率和熱量在5%的范圍波動。因此，采用高壓線性恒流IC驅(qū)動方案設(shè)計(jì)整燈的應(yīng)用電路簡單而高效。

六、高導(dǎo)熱塑料工礦燈的工作溫度測試

對高導(dǎo)熱塑料工礦燈燈體各部分的工作溫度測試可以說明，采用HVLEDs燈珠的均布技術(shù)，高電壓（VF）、小電流（IF）的工作原理，以及高壓線性恒流驅(qū)動，可以在滿足發(fā)光亮度的同時，有效降低光源板的發(fā)熱溫度。

100W工礦燈點(diǎn)亮進(jìn)入熱態(tài)后光源板的各點(diǎn)溫度如圖4所示。近中心最熱點(diǎn)的溫度為88～89℃，燈板近外周各測試點(diǎn)的溫度為86～83℃，可見HVLEDs燈珠均布技術(shù)給各個燈珠預(yù)留的空間可以幫助快速導(dǎo)出燈珠在發(fā)光時產(chǎn)生的高熱，使燈珠板各點(diǎn)的溫度保持基本均衡，與COB燈珠相比，燈珠板的溫度約下降10～15℃，由此也減輕了高導(dǎo)熱塑料散熱器擴(kuò)散熱量的負(fù)擔(dān)。

100W工礦燈點(diǎn)亮進(jìn)入熱態(tài)后燈頭的各點(diǎn)溫度如圖5所示，燈珠板背面的高導(dǎo)熱塑料散熱器溫度為75～70℃，燈頭與燈面近燈珠板連接處的溫度為70～60℃，燈頭遠(yuǎn)離燈珠板處的溫度為50～45℃。

LED燈珠在發(fā)光時，只有30%的電能轉(zhuǎn)換成光能，而有70%的電能轉(zhuǎn)換成熱能，在發(fā)光的同時產(chǎn)生高熱，因此燈珠板的散熱設(shè)計(jì)是燈具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)！

七、采用“光電引擎”+高導(dǎo)熱絕緣散熱體的優(yōu)勢

采用“光電引擎”+高導(dǎo)熱絕緣散熱體的優(yōu)勢有以下6點(diǎn)：

①高PF值（輕松達(dá)到>96%），高效率（基本可以在85%～92%），THD<20%。

②無需添加加任何安規(guī)電容或電感，則可滿足EMC、能源之星和PWM的調(diào)光要求。

③電路部分，全部采用固態(tài)元器件，避免電解電容長期在高溫狀態(tài)下使用容易損壞的問題，電源壽命更長，更穩(wěn)定和可靠。

④電路簡潔，電源和燈珠一體化，采用全自動的方式生產(chǎn)，減少加工成本。

⑤在同樣符合出口安全標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求的情況下，可以大幅降低電源成本。

⑥高壓線性恒流驅(qū)動IC具有智能過溫和過壓保護(hù)功能，更能保障電源和整燈的壽命。

八、結(jié)語

高導(dǎo)熱塑料工礦燈作為一種創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，采用高導(dǎo)熱塑包鋁散熱結(jié)構(gòu)，新一代高壓線性恒流驅(qū)動芯片和簡潔的整燈設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低了整燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的成本。

高導(dǎo)熱散熱器可以用注塑機(jī)高效自動化生產(chǎn)，一次成型，多個散熱器同時生成，高效、省時、無污染。LED光電引擎可以用SMT設(shè)備自動化大批量快速生產(chǎn)，使其頗具性價比。

基于高導(dǎo)熱塑料的優(yōu)良絕緣特性，配合使用LED光電引擎，在同等性能指標(biāo)下，電源成本只需傳統(tǒng)開關(guān)電源的20%左右，從而大幅降低整燈的成本和零售價格，產(chǎn)品更易于通過UL、CE、TUV、EMC等嚴(yán)格檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。