LED吸顶灯及其电源.docx
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LED吸顶灯及其电源
LED吸顶灯及其电源
茅于海
2012年将是LED全面、大规模进入家庭的一年。
美国家庭中主要是采用E26型的白炽灯。
但在中国的城市家庭中则很少有人还用白炽灯，而大多数采用弯曲荧光灯管的吸顶灯。
如何生产价格低廉、性能良好的LED吸顶灯将是对于LED从业者的一个极大的挑战。
为了做好这一替代工作，我们首先要对普通吸顶灯有充分的了解，才能做到知己知彼百战百胜。
一．普通吸顶灯
1.1吸顶灯的外形
普通吸顶灯的外形虽然有很多种（图1），但最普通的就是圆形或方形，复杂的则更有各种奇形怪状的水晶吸顶灯：
图1.各种形状的吸顶灯
1.2吸顶灯的灯管
其灯管大多是弯折后的T5荧光灯（图2），品种规格繁多，主要有以下几种。
（a）圆环形（b）U形（c）2D形
图2.用于吸顶灯的荧光灯
1.3吸顶灯的功率，并没有明确的规定。
其功率最常用的有10W、16W、21W、28W、32W、38W、40W等几种。
二．普通吸顶灯的问题和缺点
2.1发光效率低
带镇流器节能灯的整灯光效只有55lm/W，最高的大功率U型也只有80lm/W。
而且因为所有这些吸顶灯大多采用T5型灯管，折弯成各种形状。
但不管最后折弯成什么形状，它都是360度发光的，其中向上的180度的光线必须反射回来才会变成有用的光线，这个反射过程就会损失很多光。
所以做成灯具以后的光效至少要打70%的折扣。
也就是上述光效还要再乘以0.7。
而且在实际使用时，它的亮度随时间衰减得很快。
例如一根飞利浦的32W环形T5三基色灯管YH32RR16，色温为6500ºK，其发光效率为67lm/W，总流明数为2150lm，实际上只有70%的光线可以利用。
也就是只有1500lm。
2.2含汞
节能灯
（10mm）
直管型卤粉
荧光灯
长寿命
三基色荧光灯
一般
三基色
荧光灯
紧凑型
荧光灯
各种
LED
10-15mg
<10mg
<8mg
<5mg
<5mg
0
而汞的沸点很低，在常温下可蒸发。
一支废旧丢弃荧光灯破碎后，立即向周围散发汞蒸气，瞬间可使周围空气中的汞浓度达到10-20毫克/立方米，超过国家规定的汞在空气中最高允许浓度（为0.01毫克/立方米）的1000至2000倍，人体一次吸入2.5克汞蒸气即有生命危险。
而且液态汞的渗透率极高，掉到地下以后就会立刻渗入地下污染地下水。
1毫克汞足以污染5454.5公斤饮用水，使之达不到安全的饮用标准。
现在拼命推广节能灯，实际上也是对我们子孙不负责任的做法。
2.3寿命低
节能灯管按照荧光粉划分有：
混合粉、卤粉、三基色。
卤粉寿命在3000～4000小时；混合粉寿命在4000～6000小时；三基色号称在8000小时以上。
2.4镇流器质量低
荧光灯所用的镇流器大多数无法给出足够的功率，例如作者实测一个32W荧光灯所用的镇流器其输出功率只有16W，也就是只有50%的额定功率。
而且所有荧光灯的寿命之所以短，主要是镇流器的寿命很短，而且一旦荧光灯损坏，镇流器通常也跟着损坏。
几乎所有人的经验都是一般一年就要换一次镇流器或灯管，大多数时候是一年不到，两个都要换。
2.5价钱也不便宜
一般的吸顶灯价钱在几十到几百元的都有，国外品牌的吸顶灯要600元以上，至于一些带有水晶饰物的吸顶灯，价钱高达几千元以上比比皆是，而其光源只不过顶多是一个40W的异形荧光灯而已。
所以吸顶灯不像普通节能灯那么便宜。
三．LED吸顶灯的优点
3.1发光效率高
LED本身的发光效率已经到达130lm/W以上，所以LED吸顶灯的整体光效已经可以达到100lm/W。
而且这个效率还在每年增长，据估计，到2020年，LED本身的发光效率将会达到240lm/W。
光效高就意味着节能。
根据实测的结果，一盏8W的LED就可以取代一盏32W的吸顶灯。
电功率可以节省4倍以上。
3.2寿命长
LED的寿命为10万小时，做成灯具以后，现在实际上公认的寿命为至少3万小时，高质量的可以做到5万小时，要比荧光灯长10倍以上，即使最高寿命的三基色荧光灯的寿命为1万小时，也还高出5倍以上。
3.3不含汞
3.4无紫外线辐射，无光线污染
3.5可以根据需要提供各种色温的光线，通常有2550-3700ºK，和4700-7000ºK。
3.6无玻璃零部件，耐冲击、振动，便于运输。
3.7不需要铝制散热器，成本低，重量轻
四．LED吸顶灯的构成和散热
不考虑华丽的水晶吸顶灯，普通LED吸顶灯的构造和普通吸顶灯没有什么区别。
都是由底壳，外罩，电源，灯等4个部分组成。
4.1LED吸顶灯的灯珠
通常对于功率大于30W以上的大多采用1W的LED灯珠，低于30W的大多采用小功率LED灯珠（例如3020,3014,3528等）。
建议采用贴片式小功率LED，以便于散热，也可以提高发光的均匀度。
灯珠可以按照其外形来排列，例如假定外形为圆形，那么灯珠就排成圆形，反之，假如外形是方形，那么就排成方形。
即便如此，灯珠的排列也还是有很多种方法，一个典型的LED吸顶灯的内部结构如图3所示。
图3.LED的内部结构
图中圆环形的印制板上有两圈LED灯珠，它是采用23颗0.4W的5730型LED灯珠，总共功率为18W。
中间的长方形为其恒流电源，方盒右下角则为遥控接收器的光敏二极管，以接收遥控亮度的红外控制信号。
需要提出的是仍然有大量的低价LED吸顶灯采用了小功率草帽灯，然而由于草帽灯的热阻很大（450℃/W），很难把热导出，因而光衰严重，寿命很短。
4.2LED吸顶灯的灯罩
灯罩通常采用PC板，其性能如下：
（1）透光性：
PC板透光率最高可达89%，可与玻璃相妣美。
UV涂层板在太阳光下爆晒不会产生黄变，雾化，透光不佳，十年后透光流失仅为6%，PVC流失率则高达15%—20%，玻璃纤维为12%-20%。
（2）抗撞击：
PC板撞击强度是普通玻璃的250-300倍，同等厚度亚克力板的30倍，是钢化玻璃的2-20倍，用3kg锤以下两米坠下也无裂痕，有“不碎玻璃”和“响钢”的美称。
（3）防紫外线：
PC板一面镀有抗紫外线（UV）涂层，另一面具有抗冷凝处理，集抗紫外线、隔热防滴露功能于一身。
可阻挡紫外线穿过，及适合保护贵重艺术品及展品，使其不受紫外线破坏。
（4）重量轻：
比重仅为玻璃的一半，节省运输、搬卸、安装以及支撑框架的成本。
（5）阻燃：
国家标准GB50222—95确认，PC板为难燃一级，即B1级。
PC板自身燃点是580摄氏度，离火后自熄，燃烧时不会产生有毒气体，不会助长火势的蔓延。
（6）可弯曲性：
可依设计图在工地现场采用冷弯方式，安装成拱形，半圆形顶和窗形。
最小弯曲半径为采用板厚度的175倍，亦可热弯。
（7）温度适应性：
PC板在-100℃时不发生冷脆，在135℃时不软化，在恶劣的环境中其力学，机械性能等均无明显变化。
（8）耐候性：
PC板可以在－40℃至120℃范围保持各项物理指标的稳定性。
人工气候老化试验4000小时，黄变度为2，透光率降低值仅0.6％。
4.3LED吸顶灯的散热
采用小功率的LED灯珠，排列分散一些，可以有助于散热。
吸顶灯在结构上的特点也是有利于散热的。
1.内部空气无阻挡自由流通。
这是吸顶灯相比于其他灯具最大的优点。
密闭而不流通的空气是一种绝热性能很好的绝热体，反过来，能够自由流通的空气却是最好的散热体。
世界上所有的发热物体最后都是把热量散发到空气中去的。
因为吸顶灯的底板有很多小孔，所以在吸顶灯的灯罩里，LED灯珠所产生的热量可以通过空气立刻传递到外边去。
2.灯罩能够很好散热。
我们知道对流和辐射散热主要和面积及材料有关，而塑料的辐射散热的效果是很好的，而且灯罩的厚度很薄，所以塑料的导热不好的影响可以忽略。
这可以从图4中加以说明。
图4.较薄的厚度减小了导热系数的作用
吸顶灯的泡壳厚度只有1-2mm。
所以虽然它的导热系数只在0.1-1W/mk，但还是能够很快地把热量从一边传到另一边。
而且塑料的辐射能力是很强的，见下表：
材料
铝
铜
黑色塑料
抛光未氧化
0.02-0.1
0.06
0.8-0.9
粗加工轻微氧化
0.3-0.4
0.5
严重氧化
0.4-0.45
0.8
所以泡壳可以很好地辐射散热。
因为在吸顶灯的内部空气的流通很好，很容易把热量带到泡壳上。
所以灯罩起了主要的散热作用。
3.面积大：
根据圆形的面积计算公式：
S=πr2，或S=π（d/2）2，对于一个直径为45cm的圆形吸顶灯，它的底板面积就是1590cm2。
因为吸顶灯通常安装在室内，没有过高室温，所以可以采用40cm2/W的经验数据，那样也可以散去40W的功率。
但是由于底板靠近天花板，不易散热，所以底板的实际散热效果会差很多。
而灯罩因为是曲面形，其面积要比圆形更大，而且它的安装朝下，没有任何阻挡，所以散热效果要比底板更好。
4.关键的问题是要把安装LED灯珠的铝基板或印制板的铜箔面积做得足够大。
实验证明，对于小于30W的吸顶灯采用普通的印制板就可以很好地散热，而且为了利用自由流通的空气。
在印制板的两面把热量带走，所以也不需要把铝基板或印制板通过导热胶紧贴底板来散热，反而要把印制板垫高离开底板5mm，以便空气流通。
5.底板上多打一些通风孔会对散热有很大的好处。
这些通风孔应当打在外圈，以免被阻挡。
但也可能带来小虫钻入的可能性。
采取以上措施以后，LED吸顶灯并不需要很重的鳍片式散热器也可以满足散热的要求。
可以说LED吸顶灯是唯一不需要特制的铝散热器的LED灯具。
五．LED吸顶灯的电源
现在让我们先来看一下普通吸顶灯的电源。
普通吸顶灯通常采用电子镇流器，或者称为高频变压器。
但是市面上的电子镇流器的质量都比较差。
例如，作者就测试了一款普通吸顶灯安装了飞利浦的32W环形灯管。
实测的结果如下：
Pin=16W，PF=0.62。
所以它只用到环形灯管50%的功率，而且功率因数也很差。
作者也测试了一个9W节能灯的参数，测得Pin=8.4W，PF=0.563
二者的功率因数都不能满足>0.7的要求，但仍然在市面上大量流通。
对于LED吸顶灯的电源可以分为非隔离式和隔离式两大类：
5.1非隔离恒流源，由于LED吸顶灯不像球泡灯那样容易被用户用手触摸到，而且由于不需要接触式导热，它的内部结构很容易把铝基板或印制板和金属底板绝缘起来，所以采用非隔离电源是可以很容易通过CE、UL等安全认证。
再加上它的安装通常是由专业的电工来安装，也减小了用户触电的危险。
我们知道LED必须采用恒流源来驱动，否则由于它的负温度系数，而会使电流急剧上升导致结温升高，寿命缩短。
恒流源分为线性和开关式两种。
线性恒流源的优点是不会产生电磁干扰（EMI），简单，成本低。
它的缺点是效率比较低。
1.采用恒流二极管的非隔离恒流源
恒流二极管是一种线性恒流源，它的恒流作用可以用来驱动LED。
最简单的方法就是把恒流二极管直接和LED串联。
但是我们在用于LED驱动时必须注意选择恰当的电流和耐压。
●最低电压
由于恒流二极管需要一定的电压Vk才能够进入恒流，所以太低的电源电压是无法工作的。
通常这个Vk大约在5-10V左右。
●最高电压
由于恒流二极管必须能吸收掉电源电压的变化，对于同样的百分比，220V就要比110V的变化范围大一倍。
例如对于+10%~-20%的变化范围，对于220V就意味着22+44=66V的变化范围，经过桥式整流以后这个变化还会加大1.2倍，变成79.2V。
而对于110V电源，同样的变化范围只相当于39.6V的变化范围。
电压越低，就意味着功耗越小，效率越高。
所以可以说恒流二极管更适用于110V市电的国家。
●最大电流
由于恒流二极管的功耗受到限制，所以过大的电流也是不合适的。
例如1W的LED通常需要350mA，恒流二极管就很难提供。
即使能够提供，它的功耗也过大而使整体效率大为降低。
●恒流二极管最适用的使用场合就是交流市电供电的LED灯具，采用很多小功率LED串联，也就是高压小电流的情况是最为合适。
图4就是一种用于吸顶灯的恒流二极管驱动源。
其负载是80颗3022串联，总功率为16W。
所用的恒流二极管也是恒流在60mA。
假如手头的恒流二极管只有30mA的，就需要2串并联。
图5.采用恒流二极管作为LED驱动电源
在这里，恒流二极管的作用就是要在输入市电电压变化时，保持输出电流不变，当然也可以消除由于LED负温度系数所引起的电流增大。
但是由于恒流二极管的耐压有一定的限制，所以它所能吸收的电源电压变化也是有限的。
就拿100V耐压的CRD来说，它的工作电压范围还要减去它的最小工作电压10V，可用的电压范围也就只有90V。
用在220V市电电源里，如果市电变化+10%，~-20%，就相当于整流后为290~211V，电压变化79V，在其耐压范围内。
假如所用的LED为80颗，如果正向电压为3.3V，那么总电压为264V，正好相当于220V经过桥式整流以后的值。
这时候恒流二极管上没有压降，但是这时候它是不能工作的而至少需要10V压降，也就是要求整流后电压为274V，市电电压为228VAC。
那时候恒流二极管压降为最小，功耗也最小，只有0.03Ax10V=0.3W，整体效率为最高可达96%（当然还要考虑整流器的效率，实际上还会低一些）。
如果市电增高至242VAC，那么恒流二极管电压就增高为26.4V，其功耗也增加到0.79W，这时候效率就等于91%。
如果市电电压低于228V，是不是恒流二极管就不工作呢？
并不是，但的确是不恒流了，这时候它和LED就会达到一个新的平衡点，那就是二者的电压和等于市电电压经过整流后的电压。
因为LED伏安特性的非线性，所以很难用公式来表示。
总之，当市电电压降低时，LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。
其亮度也会跟着变暗。
但是这时候恒流二极管的压降不大所以并不消耗很多功率。
所以效率还是很高的。
前面假定了LED的正向压降为3.3V，实际上即使其额定为3.3V，在开机一段时间以后，由于结温的升高，正向压降就会降低至3.1V甚至3.0V。
一个采用恒流二极管的8W电源的实测结果如下表所示：
VinV
PinW
VCRDV
VLEDV
ILEDmA
效率η
240
8.5
68.1
250.5
25.6
75.44%
235
8.3
58.2
252
25.7
78.03%
230
8.2
50.7
253.7
26.2
81.06%
225
8.3
43.3
252.7
27.1
82.51%
220
8
39.3
255
27.5
87.66%
215
8
26.6
255.6
27.8
88.82%
210
7.9
20.5
255
27.8
89.73%
205
7.7
17.8
251.4
27.7
90.44%
200
7.2
13.9
250.8
27.5
95.79%
195
6.4
4.2
250
25.2
98.44%
190
5.8
4.2
243.9
23.7
99.66%
有表中可见，采用恒流二极管以后其最高效率的确可以做到非常高。
是一种值得选用的电源。
为了在220V得到最高的效率，看来应该串联90个以上的LED。
各种恒流二极管的参数如下表所示：
公司及产品型号
恒定电流
电流
温度系数
电压范围
功率耗散能力
封装
功能电路
备注
CL1
Supertex
20+/-5%
mA
-8.5μA/°C
5-90V
900mW
SOT-89
&
D-PAK
可用于小功率LED串联，电源电压可达220VAC
PSSI2021SAY
NXP
0.15-50mA
可调
0.15%/ºK
10-75V
335mW
SOT353
（SC-88A）
恒定电流可用外部电阻调节，适用电压由功耗决定
BCR402R
Infineon
20-60mA
可调
-0.3%/ºK
9-18V
330mW
SOT143R
适用电压过低，只能用于低压直流供电场合
NSI45025T1G
On-Semi
25mA+/-15%
5-50V
460mW
Package
SOD-123
耐压较低用于120VAC
NSI50350ADT4G
350mA+/-10%
5-55V
11Wpackage
DPAK
Case369C
适用于120VAC
NSI50350AST3G
350mA+/-10%
5-55V
5.8W
SMC
Case403
适用于120VAC
S-562T
Semitek
Japan
5.6mA
<-0.5%/ºK
4.5V-100V
500mW
恒定电流过低，需要多个并联使用
SST502
LinearSystem
20mA
0.8-45V
350mW
SOT-23
耐压较低，适用于120VAC
NU501
NumEnTech.
Taiwan
15-40mA
1.6-12V
250mW
SOT-23-3
适用电压过低，只能用于低压直流供电场合
2.采用高压直接降压的开关式恒流源
由交流直接整流得到的电压是264V，这时候可以采用直接降压的高压Buck电路来恒流。
a）PAM99700
图5为采用美国PAM公司的PAM99700的高压Buck的电路图。
图6.采用美国PAM公司的PAM99700的高压Buck的电路图。
这个电路的特点是效率高达90%，功率因数也大于0.9以上。
外部电路也很简单。
可以驱动多达40个1W的LED。
一个采用PAM99700的LED吸顶灯照片如图7所示。
它是采用24串7并的3014型LED，总功率16.8W。
右下角的蓝色印制板是红外遥控接收器。
图7.采用PAM99700作为恒流驱动源的LED吸顶灯
它的实测结果如下（图8）：
图8.效率、功率因素和LED电流和输入电压的关系
b）HV9861A
最近美国Supertex公司推出了新款高压降压芯片HV9861A以取代HV9910B.它采用了均值取样从而提高了恒流精度至+/-3%。
它的电路图如图9所示。
图9.HV9861A直接降压式电路图
这个电路可以驱动21个1W的LED。
其主要指标如下：
输入电压
输出电压
输出电流
效率
功率因数
输出开路保护
输出短路保护
90-265VAC
20-60V
350mA+/-4%
91-92%
0.5-0.56
有
有
其输出LED电流以及效率随输入电压的变化如图10所示。
图10.输出电流和效率随输入电压的变化
因为电路中没有采用无源功率因数校正，所以功率因数比较低。
这个电路也没有采用为减小EMI所需的滤波器，如果加上这两项以后都会降低其效率。
所有这些非隔离式电源因为在LED负载上会触摸到市电，所以有严格的安规检验，尽管采用良好的绝缘可以满足安规的要求，但是欧盟IEC61347-2-13（5/2006）标准规定在LED负载端电压不可超过25VAC或35VDC。
所以采用非隔离电源是无法出口欧盟的。
5.2隔离式电源
最近美国TI公司推出了一种隔离式恒流源芯片TPS92070，它的电路图如图11所示。
图11.TPS92070实际应用电路图
输入：
90-264VAC
输出：
25V,350mA
效率：
>85%
1.可调光隔离式恒流源
●iW3614
其电路图如图12所示。
图12.iW3614应用电路图
输入：
100-120VAC或220-240VAC
输出：
25V,400mA
效率：
>82%
PF：
>0.9非调光模式，调光模式时取决于可控硅。
THD：
满足IEC61000-3-2
调光兼容RC、R、RL
●LT3799
今年2月美国凌特公司宣布了一个用于LED恒流驱动的IC（LT3799），它可以驱动4-100W的LED，而且本身带PFC，外置功率MOSFET开关管，反激隔离式而不需要光耦合器，外置元件减到最少，而且还可以用于可控硅调光。
图13可用于高功率LED吸顶灯的反激式隔离型恒流电源
这个电路图是一个给24瓦吸顶灯用的演示板的电路图。
其主要技术指标如下：
输入电压
输出功率
输出电压
输出电流
LED数
效率
功率因数
90-270VAC
25W
25VDC
1A
8x3W
83-86%
0.92-0.99
它的演示版的布置图如图14所示。
具体应用时当然也可以设计成圆形。
图14.LT3799的演示版
这个市电恒流源因为功率大，而且可以适应4-100W的宽功率范围（这是吸顶灯的功率范围），所以一定是采用外置MOS开关管，而且也因为功率大，所以要求采用功率因数校正（PFC）。
对于不同的功率，除了要选择不同的MOS管外，还要求选择不同大小的变压器。
变压器加大了整个恒流源的体积和重量，降低了效率。
但是这是为隔离市电所必需的。
六．LED吸顶灯的调光
目前全世界很多知名的LED恒流驱动芯片公司都花了很大的力气开发出了很多可以和各种可控硅调光的所谓Triac配合以进行调光的芯片。
然而这也是一种相当可悲而又可笑的事。
因为可控硅是上世纪六十年代的产品，本身是一种相当古老而落后的器件。
它的确可以用来和白炽灯配合进行调光，可是它在调光的过程中会破坏正弦波的波形因而引起系统的功率因数降低，而且还会在线路上产生很大的干扰信号。
在白炽灯调光时因为白炽灯的亮度只是由电源电压的有效值决定，所以可以跟着可控硅的导通角调光，而且对于可控硅来说，白炽灯是一个理想的纯阻负载，也不会对它的工作有什么影响。
可是换成LED以后就产生了一系列的问题，首先带整流器的LED是一个容性负载，对可控硅有很大影响，在低负载时就会不稳定触发，除非并联一个电阻。
但会进一步降低系统的效率（增加1-2W功耗）。
为了使得LED也能配合可控硅调光就必须把带整流器的整套恒流电源系统的功率因数提高到看上去接近纯阻负载。
所以很多公司开发出有源功率因数校正芯片。
使得LED整个系统的功率因数达到0.9以上。
不少人误以为采用功率因数校正以后，连同可控硅在内的整个系统的功率因数都可以达到0.9以上。
这完全是误解了，即使是纯阻负载接上可控硅以后功率因素也会随调光而降低。
下面是可控硅调光过程中，带功率因数校正（达0.96）的LED球泡灯的整套系统（包括可控硅在内）的功率因数的变化（附带也有白炽灯的数据以供比较）。
带功率因数校正的LED球泡灯
白炽灯
输入功率
功率因数
输入功率
功率因数
9.4W
0.96
23.5W
0.999
8.1W
0.769
20W
0.899
7W
0.703
15W
0.747
6W
0.635
10W
0.573
5.1W
0.515
9.9W
0.566
4W
0.48
由表中可知，不管是经过功率因数校正的LED灯，还是白炽灯，在一开始时功率因数都可以达到0.96以上。
但随着可控硅的调光，其功率因数逐步降低，到无法再调光时，功率因数低至0.48和0.566。
所以作为整个系统来说，其功率
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