LED路灯模块技术方案

LED路灯模块技术方案关键词：LED路灯LEDstreetlampLED光源具有高效、环保、寿命长等优点，是典型的高技术产品，是照明行业的发展方向。要体现其优势，必须解决光学、热学、驱动等关键技术问题。考虑到传统封装的LED高亮度、小光通、朗伯远场配光分布会导致眩光、配光曲线与实际需求不符合是制约LED照明光源发展和大规模应用的瓶颈。1、LED颗粒选型对于LED路灯，LED颗粒的选型关系到LED路灯的散热性能、显色性和光学性能，所以LED颗粒性能对于LED路灯至关重要。在LED颗粒选型方面主要考虑LED功率、光效、色温、显色性和结温等几个方面的性能参数。下表所示为OSRAM、CREE和Philips公司的适合应用于LED路灯的产品参数，其中OSRAM公司的Dragon和OSTAR型号的LED是面向道路照明的产品。GoldenDRAGON®withOVALlensGoldenDRAGON®withARGUSlensGoldenDRAGON®PlusOSTAR-LIGHT表1各种型号LED特征参数LED型号光效色温色坐标热阻光通LUWW5AM128lm/W@100mA6500Kx=0.31y=0.326.5K/W113lm@350mALWW5AM87lm/W@350mA5600Kx=0.33y=0.336.5K/W101lm@350mALUWW5PM100lm/W@100mA6500Kx=0.31y=0.326.5K/W100lm@350mALEUWE3B65lm/W------895lm@14.6WXR-CLEDs--冷白-暖白--12K/W114lmXP-EQ595.5lm/W冷白-暖白--9K/W107lm@350mA注：上表中前三个LED的额定功率为1.1W，显色指数为80，CREE公司XP-EQ5型号色温在3700K-10000K范围内的LED显色指数为75，色温在2600K-3700K范围内的LED显色指数为80。综合考虑LED的结温、光效和显色指数等参数，型号为LUWW5AM和XP-EQ5的LED性能较好，适合用于LED路灯模块。2、LED路灯技术参数调研现在，LED路灯主要有两种设计方式，一种是整灯模式，即把LED颗粒全部焊接在PCB板上；另一个就是模块化设计，即先基于一个模块，把LED封装在一个相对较小的照明模块里，再将多个LED照明模块整合起来。模块化设计的优势是方便维护，首先单个模块重量低于整灯的重量，拆卸方便，另外如果有LED颗粒损坏，也不需要整个灯都拆卸维修，只需要维修或更换对应的LED模块即可。下面是调研的两款LED路灯产品。2.1OSRAM高功率LED路灯模块图1OSRAM路灯模块外型与光强分布首先介绍该模块的技术参数，然后分析模块在光学、热学和电学上的实现方法。LED模块工作的技术参数如下表所示：表2工作技术参数产品颜色LED数目电压（Vdc）CRI(%)功率（W）辐射角度色温（K）光通量（lm）HPML-W4F-830暖白1524802075°×130°3000K1000-1150HPML-W4F-765白光1524702075°×130°6500K1350-1830注：模块工作时的典型光效为75lm/W(6500K)，最大值为90lm/W(6500K)。每个模块的尺寸为220mm×70mm×74mm，重量为700g；工作时OT75型号的电源为3个模块供电，OT90型号的电源为4个模块供电；模块的最大观察角是75°×130°；光分布是矩形光分布；电路的优点是集成负载短路和过载保护。2.1.1光学实现方法每个模块包含15个GoldenDragon型号的LED，且等间距焊接在电路板表面，其中每个LED光通量90lm左右。光学处理方法就是使用多面的周期性反射器来实现矩形配光，反射器的效率为92%。下面是模拟结果和厂商宣传结果对比，其中模拟条件是模块安装高度为8m，探测面尺寸为32m×32m；光源数据采用OSRAM公司的网站提供数据（模拟过程中由于机器限制，只模拟了部分光线）；反射器表面反射率设置为100%；模块模型如下图所示图2高功率LED模块光强度分布图（FromDatasheet）图3高功率LED模块3D外形图4高功率LED模块照度分布（模拟）图5高功率LED模块光强度分布图（模拟）从模拟结果来看，OSRAM的高功率LED路灯模块的光强分布图与模拟结果基本一致，但是我们从照度分布图上我们还可以看到，照度要求还没有达到国家标准要求，效果不符合相关的标准。由此我们知道，只使用反射器的方法难以设计出符合照度要求的模块。2.1.2电学实现方法高功率LED模块使用每五个串联，然后让3组并联的方法设计电路。飞利浦发布的Fortimo就是一个交流输入，自带散热方案，能提供调光和恒定光输出的光源，整体上看来和一个白炽灯泡没有区别。目前业内用的较多的还是DCLED，因此在面向室内照明应用的时候，还需要AC-DC模块将交流变为直流使用。当然现在也出现了交流LED，为了照顾到LED的发光特性，DC端需要使用恒流模式。一个优质又高效的驱动电路，在LED灯具的成本中所占的比例，发光二极管也是二极管可以把它当作整流桥使用，在这方面做尝试的以台湾和韩国的厂商为主，市面上也推出了相关的产品。ACLED要解决的主要是可靠性和安全性的问题：电压大范围波动会直接造成过载，没有驱动电路的缓冲会直接作用在ACLED上。2.1.3热管理方法高功率LED模块的热管理方法是在MCPCB板背面均匀涂散热硅胶，再加散热片，散热片的材料是铝。下图所示为在不同结温下模块的光通维持特性图6高功率LED模块光通维持特性2.2飞利浦LED路灯模块调研飞利浦2005年七月份推出的LED路灯如下图所示，型号为Equinoxstreetlamps，每个灯具包含了18个LED，其中LED型号为Luxeon，采用了白光LED和琥珀色LED混合组装的方法，色温范围是2700K-4000K。灯具应用地点在Ede,theNetherlands，用于人行道的照明，灯具安装高度为4m，预期寿命为12年。图7飞利浦LED路灯外形技术参数如下所示：1、每个光学模块包括6个LuxeonIII白光LED（65lm）和12个LuxeonI琥珀色（amber）LED（36流明）。2、印模压铸的铝支架（Die-castaluminumhousing）3、托架柱（Bracketsandmast）由铝制压模（extrudedaluminumprofiling）制成4、结温低于90℃（处理方式是将热沉集成安装在支架上），估计是50,000小时以后光通降到原来的70%（这个其实就是有效寿命）；5、电力驱动通过监控热沉的温度来调节白色和琥珀色LED光通水平，这个是用来保证整个灯具的色温维持不变。3、LED路灯模块技术方案本方案致力于解决LED模块化设计中的光、电和热的问题。分为两部分，第一部分是LED路灯相关标准和趋势的分析，并提出了总的技术指标；第二部分是实现相关技术指标的方案。3.1LED路灯模块化设计的概念与优势本部分主要分析了《CJJ45-2006城市道路照明设计标准》和《IEC62031LEDModulesforGeneralLighting-SafetySpecifications》。本设计采用模块化设计，其优点主要有维护方便，维修的时候只需要拆卸相应的模块，而不需要整体拆卸；另外就是热管理方便，相对于1W级整体排布的产品，单个模块的散热更好；其次就是可以灵活组合，可以满足不同的照度要求。这里，我们使用1W级LED颗粒进行设计，而不采用多芯片封装的单颗超大功率LED，主要是考虑到多芯片封装的超大功率LED热量过于集中，导致散热非常困难，直接影响到了产品的发光效率和寿命以及性能稳定。LED模块是一种组合式照明光源装置，主要包括光学、机械、电器和LED光源，LED模块的分类主要有自整流LED模块、整体式模块、整体式自整流模块、独立式自整流LED模块等。我们设计的LED路灯模块就属于独立式自整流LED模块，有独立的外壳，可以直接加电源。目前，LED灯具的内部构造通常是由LED模块和控制系统构成，如下图所示。LED装置LED模块装置和LED模块：一个整体灯座电源电压交流（1000V或以下、频率为50Hz或者60Hz）或直流(250V或以下）内装式独立式整体式不带LED的装置（IEC61347-2-13）（IEC62384）连接系统LED模块（IEC62031）内装式整体式独立式可能的组合LED（IEC62031）内装式整体式独立式装置+自镇流LED模块LED模块的电子控制装置自镇流LED模块图8LED灯具内部构造3.2LED路灯相关标准和技术参数设计书的技术指标为灯具的功率为120W，系统效率不低于75lm/W，灯具输出光通量不低于9000lm，色温6000K，误差控制在±300K，显色指数不低于70，灯具热阻不低于9℃/W，正常工作时结温温升低于25℃，驱动电路效率不低于90%，驱动电源功率因数为90%。《CJJ45-2006城市道路照明设计标准》要求对于次干道，平均照度为10-15lx，照度均匀度不低于0.35。灯具截光类型为半截光型灯具，即灯具的最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在0°～75°之间。3.3设计思路与实现方案现在虽然大功率LED路灯研制发展的速度很快，但在应用中还不同程度的存在着光效低、二次光效处理水平较低、光衰快、寿命短、色温偏差、光色不一、驱动器多故障等问题。其中二次光学设计、散热设计和电源稳压器系统设计是LED路灯的核心技术问题，也是提高发光效率和延长寿命的关键。3.3.1LED路灯热管理方法LED路灯的散热直接关系到灯具的持续光输出及其使用寿命，散热设计至关重要。本设计拟定外壳和散热器一体设计的方法，即散热片充当LED路灯灯壳的一部分，这样有利于提高散热效率。对于散热器的材料，暂定为铝或者铝合金等导热系数较高的材料。对于散热器的尺寸与形状还需要以散热片尺寸为最终优化目标建模分析，这是因为散热片与MCPCB板的接触面积关系到灯具的散热效果（体现为热阻）和照明效果，但是散热片过大导致消耗材料多而且模块过重，不利于维修拆卸；另外散热器的尺寸还与LED颗粒间隔相关，LED颗粒间隔过大，散热效果好了但是需要设计出更大的自由曲面透镜，灯具出光效率就会降低。考虑到出光效率等性能的时候，散热器最优的散热尺寸就不一定是最好的，这需要一个平衡和折中考量。3.3.2LED路灯光学实现方法要真正充分发挥半导体光源的长处，LED的二次光学系统设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要。《道路照明设计标准》要求LED路灯的配光为长方形的光型，路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路，而马路之外的光污染几乎为零。香港理工大学的蒋金波博士介绍过两种LED路灯的配光设计：第一种LED路灯采用轴对称的全反射透镜或反光杯，LED透镜模组排列于一个弧面上以产生长方形的配光。全反射透镜的引入可以极大地提高光的利用效率，但是弧形的LED模组的排列使高功率LED的散热设计和机械结构比较麻烦。第二种LED路灯则采取非对称的自由曲面透镜，可以将长方形的配光直接由单个LED光学元件完成。整体灯头只需将具有长方形配光的LED模组简单的排列在一个平板上即可，这种LED路灯在机械结构、散热及电源控制方面比较简单，不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED模组即可。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上实现。本设计将LED直接焊接在MCPCB平板上，使用CREE型号为XLamp-E系列Q5档的LED，首先使用反射器来设计模拟，检查照度均匀度要求，再采用自由曲面二次透镜实现照度要求（未做），预期效果为照度均匀度达到0.35。这里我们提出了模块化设计的方案，整个路灯包括4个模块，每个模块的功率为30W，假设光学损耗低于10%，环境温度为35℃，那么结温就是253560jT℃。本设计采用CREE公司的型号为XLamp-EQ5型号的LED，额定功率为1W