阐述了LED工矿灯各个阶段的设计流程以及开发中的技术重点和难点，并对产品结果做了一系列详尽的验证分析，凸显了其节能优势和经济效益。使广大消费者更为熟悉了解此类新型灯具产品特性，也为LED灯具设计者也可提供一定的参考作用。 |
1 引言：
在工厂的能耗中，照明能耗占有一定的分量。例如在一个4万平方米的厂房建筑物中，照明用电负荷约为400KW，因此，在工厂照明灯具的选用中，如何实现节能、环保是摆在工厂设计者一个重要的课题。采用新型LED光源为基础的照明灯具，除了节能环保外，它还具有寿命长、响应时间快、光色纯光线集中等优点，近年来，广受消费者的青睐。
2 LED照明设计关键技术
新技术 、新材料和新工艺不断应用到大功率 LED光源的设计中，为大功率 LED灯具设计奠定了坚实的基础 。由于同为 LED光源的应用产品差异性较大，其设计 、测试等标准的出台具有一定滞后性 ，所以导致不同厂家生产的产品在结构、性能等方面互换性较差 。同时，LED灯具产品本身就是一个机、光、电等因素的整合，其设计更是涉及到众多领域的技术。
3 LED工矿灯设计实例
LED工矿灯的设计，涉及较多细节，我们按照以下几个重要的注意事项，逐一分析讨论，以此来体现设计流程和方法，如图所示：
功率选择
光源选择
散热设计
机构设计
光学设计
3.1 功率选择
传统工矿灯以250W或400W高压钠灯和金卤灯居多，和新型的LED灯具的特性对比，有着较为明显的差别，见下表：
考虑到在实际使用中的高压钠灯和金卤灯光衰及二次出光问题，其实际发光效率远低于80lm/W，往往无法达到标称的7成。依此我们首次开发的LED工矿灯功率设定为120W左右，一旦光照效果符合预期，即比传统灯具节能超过50%。
3.2 光源选择
目前市面上大功率LED光源比较知名的品牌有：CREE、OSRAM、NICHIA、Lumileds（最早的LED），另外台湾厂商的晶元、艾迪森以及国内的封装大厂深圳万润、珠海瑞丰、江西联创等也是应用较为普及的品牌。
为保证产品的稳定性，此工矿灯我们选用最为知名的CREE光源。
3.3 散热设计:
在大功率LED 中，散热是个大问题。例如，1 个10W 白光LED 若其光电转换效率为20%，则有 8W的电能转换成热能，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（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此散热设计也是我们最为重要的内容，以下我们分别从铝基板和散热器两方面结合，来探讨散热设计。
3.3.1 基板选用
在LED产品应用中﹐通常需要将多个LED光源组装在一电路基板上。电路基板除了扮演承载LED模块结构的角色外﹐另一方面﹐随着LED输出功率越来越高﹐基板还必须扮演散热的角色﹐以将LED晶体产生的热传派出去﹐因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。针对基板，我们分别比较了FR4、陶瓷基板以及MCPCB。
(1)FR4导热系数约0.36W/m·K，无法满足高功率LED照明散热要求；
(2)Ceramic导热系数大于80W/m·K，价格昂贵、加工性差，无法大面积使用；
(3)MCPCB导热系数大于2.0W/m·K,价格适中、加工性强，技术成熟可批量生产。
3.3.2 散热器设计
散热器的作用就是吸收基板或芯片传递过来的热量，然后发散到外界环境，保证LED芯片的温度正常。绝大多数散热器均经过精心设计，可适用于自然对流和强制对流的情况。即主动式散热器和被动式散热器。其各自的性能特点见下表：
考虑到成本及稳定性,我们选用被动散热方式。而被动散热器，根据材料，又分为铝挤型（Al Extrusion）散热器和铝压铸型（Al Die-Casting）散热器。各自的特点如下：
关于Heat sink上使用Heatpipe&Fin&Vapor-Champer,经过测试,emitter温度下降不多,再根据工程用灯的稳定性要求，故不考虑使用。
3.4 机构设计
机构设计涉及不仅涉及整灯的机械结构，也涉及到灯具的外形美观。接下来，我们从以下四方面来进行压铸散热器的具体设计。
A. Best Look
对于外观，我们设想了以下两种形式。
C. Best Thermal
散热器的散热性能很大程度是由散热器的机构设计有决定的。材料同为ADC-12的压铸铝，当散热器的外经、Fin片高度、Fin片密度等参数不同时，散热性能可能相差甚远。设计过程中，我们分别选用了四种不同结构的散热器，对其进行了热流仿真模拟，如下图：
通过热流仿真模拟，我们发现Case4的热性能最好。如下表：
同时，我们可以得出以下结论：
(1)降低Fin高度的同时增大Heat sink的外径可得到更为有效的散热效果。
(2)同样重量的Heat sink，增高高度与增大散热器直径相比，后者可达到更为有效的散热效果。
(3)Case4 Thermal为最佳，我们通过降低Fin的高度去增大了散热器的外径，成本不变的条件下得到最好的散热器。
4 LED工矿灯验证结果
为了保证灯具的品质，我们在产品量产出货前进行了配光、Thermal、电气安全、可靠性等方面的一系列测试，以下为各项测试的验证结果。
5 成本与效益评估
众所周知，相比高压钠灯或金卤灯作厂房照明用，LED工矿灯初期投入成本显然要高出传统灯具很多。然而由于LED光源具有光效高的特点，再加上制成灯具时， LED光源指向性强的优点很容易体现出来， LED灯具较传统灯具的效率也就高得多，所以其节能特点就能明显地体现出来。下表为我们的120WLED工矿灯与传统400W高压钠灯的一个投资效益分析。
6 结 语
该款LED工矿灯从设计初期到量产出货，经历了多次修改完善。其中通过研发工程师与业务部门的及时沟通和紧密配合，使产品品质和外观都获得市场较佳的认可。另有不少设计细节，如Grease的选用，防水圈的处理，PC罩的改进，电源的选择等等,都始终处于不断地完善中。至于更为合理精致的设计方案，在此也欢迎各位读者的不吝赐教。谢谢！
| 页面功能:【发表/查看 评论】【推荐】【字体:大 中 小 简 繁】【打印】【收藏】【浏览:】【关闭】 |
