LED照明設計基礎全攻略

例如在采用DC-DC電源的LED照明應用中，可以采用的LED驅(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關穩(wěn)壓器等，基本的應用示意圖見圖7。

圖7 常見的DC—DC LED驅(qū)動方式

電阻型驅(qū)動方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容（EMC）問題，劣勢是依賴于電壓、需要篩選（binning） LED,且能效較低。

線性穩(wěn)壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護（fold back），且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關（FET）的開和關，進而控制電流的流動。

開關穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾（EMI）問題。LED DC-DC 開關穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構包括降壓（Buck）、升壓（Boost）、降壓-升壓（Buck-Boost）或單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）等不同類型。

其中，所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時采用降壓結(jié)構，如采用24 Vdc 驅(qū)動6 顆串聯(lián)的LED;與之相反，所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結(jié)構，如采用12 Vdc 驅(qū)動 6 顆串聯(lián)的LED；而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構，如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動 4 顆串聯(lián)的LED,但這種結(jié)構的成本及能效最不理想。

三、LED散熱處理方案及基礎

在LED燈具設計中，如果僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本環(huán)節(jié)主要從熱分析方面對如何運用LED特性的設計進行解說。雖然白熾燈和熒光燈的能量損失大，但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去，光源的發(fā)熱少；而LED，除了作為可視光消耗的能量，其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。另外，由于LED封裝面積小，通過對流和輻射的散熱少，從而積累了大量的熱。

熱解決方案簡單的說就是解決因為熱產(chǎn)生的各種問題。主要有：

1.因為熱膨脹導致彎曲和龜裂

電子設備由多個零件構成，每個零件的材質(zhì)都不一樣，熱脹冷縮的尺度也不一樣。因此，當各種材質(zhì)組合在一起的時候就有可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲，膨脹時，產(chǎn)品在連接處因為應力過多就會產(chǎn)生龜裂。

2.電子電路的運行障礙

一般來說，作為熱源的半導體元件，有這樣一個特性，即當電子設備中的半導體元件溫度上升，電的阻抗就會變小。這樣就容易陷入“溫度上升－阻抗下降－電流增加－熱增加－溫度上升”的惡性循環(huán)，進而容易發(fā)生燒斷的現(xiàn)象。

3.材料品質(zhì)的惡化

一般說來，電子設備中使用的材料容易氧化，溫度越高氧化越快，如果讓這些材料反復經(jīng)過高溫氧化，就會縮短其壽命。同時，反復加熱，材料多次膨脹，多次冷縮，會降低材料的強度，從而破壞了材料。

LED的熱解決方案

要避免電子設備的發(fā)熱有多種方法。比如，加散熱器，在熱源周圍安置能提供冷氣的風扇。前者是通過增加散熱面積，來增加散熱的通道，后者是使熱不在熱源周圍聚集。但是，正如圖1 LED燈的概括圖所示，LED封裝時不能直接連接散熱器，也沒有安裝風扇的位置。而且內(nèi)部電源電路板也會產(chǎn)生熱量，因此LED燈的散熱問題可以說是一個非常棘手的問題。這樣，如何有效使用LED安裝材質(zhì)和散熱器就變得很重要。

圖8 LED燈概括圖

那么如何有效利用LED安裝材質(zhì)和散熱器呢？首先必須把握產(chǎn)生熱的傳熱路徑。

LED元件產(chǎn)生的熱通過封裝的導線向電路板移動，然后再通過散熱器放熱。電源電路板產(chǎn)生的熱也是如此，通過電路板周圍的空氣和填充材質(zhì)，透過散熱器向外部散熱。

熱解決方案中重要的是排除傳熱路徑中阻礙傳熱的因素，比如可以考慮在傳熱路徑中使用導熱性能好的材質(zhì)、擴大路徑的斷面面積（例如，粗的銅線比細的銅線更容易導熱）、涂導熱潤滑劑使產(chǎn)品的連接部位不留空隙。

另外，即使通過這些提高了導熱特性，但如果散熱器不向外部散熱，內(nèi)部還是會聚集很多熱。因此也必須提高散熱器表面的放熱特性。典型的方法就是在表面多安裝幾個散熱片，擴大散熱器的放熱面積。

LED應用

LED具有發(fā)光效率高、 壽命長、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點。高發(fā)光效率可以增加電池的使用壽命，對于隨身攜帶的產(chǎn)品來說很適合。LED的使用壽命是一般白熾燈的2～3倍 (有些資料顯示是40倍)， 因為壽命長而使用LED的一個典型例子就是交通信號燈。另外，由于LED燈的反應速度非?？?，所以也適合用于汽車的剎車燈。LED燈具的設計自由度非常高，不僅能調(diào)節(jié)亮度，還能調(diào)節(jié)色度。