LED路灯电子部分设计优化方案

以下分三个部分来谈下电子部分的设计。

1.驱动电源选择

恒流驱动与恒压驱动的优劣不再赘述，推荐选择恒流驱动。

恒流驱动的电源又有单路输出和多路输出之分，单路输出直接将AC转换为DC，转换效率可做到93%～94%，多路输出一般将AC转换为DC，再将DC转换为DC，转换效率降低了，而且成本增加，好处是在驱动同样多LED情况下降低了输出电压。

对电源的性能有两点要注意：一是目前很多厂家的电源稳定性不够，实际使用中故障率偏高；二是很多厂家的产品用在灯具中EMC测试过不了CQC认证，需要增加滤波器和磁环等器件，增加了灯具的成本。

另外，如果想在不同时段调节路灯亮度，需要电源有相应调节功能。

最好在电源内部整合防浪涌功能，否则要在外部增加浪涌保护器，因浪涌而导致产品失效的案例已经不少了。

2.铝基板的选择

电路的设计较常用的是单路输出串联和多路输出串联，先串联再并联或先并联再串联。推荐单路输出串联，其效率高，成本低，但问题在于输出电压会很高，如果串联100颗LED，输出电压在300V以上，对安全测试要求高。

有人会担心单路串联的可靠性，如果有一颗LED坏掉怎么办，会不会导致一颗不亮全都不亮的情况出现。对于世界排名靠前的LED厂商来说，他们的产品失效模式基本是短路，断路的概率极低，所以用这类产品不需要在电路上增加额外的器件保护LED。可以这样比较下，卖出1万个产品，如果增加这种保护器件，每个灯都要增加10元以上甚至几十元的成本，1万个灯意味着10万元以上的成本。而不加的话，即便有10个灯因为LED断路而造成整灯不亮，换10个灯的成本远远低于10万元。经过这几年路灯的实践应用，也验证了这一点，用质量可靠的品牌LED可以放心串联。

最常用的PCB就是铝基板了，但是价格较高，其实某些低功率的路灯可以研究下用FR4等级材料的可行性，至于对散热的分析，下章有解释。

很多路灯电路板上铜线都是从头到尾一条细线，为了降低金属基印制电路板（MCPCB）热阻，LED周围铜箔要尽量铺满。MCPCB线路图如图4.50所示。

图4.50 MCPCB线路图

另外，根据PCB板上工作电压，对铜线至外壳的爬电距离有安规要求，详见GB7000.1-11标准中爬电距离和电气间隙的内容介绍。

3.控制的选择

为了节能，能够在不同时段调节路灯亮度就很有必要。控制的方式有多种，可以让每个路灯自行控制在某个时间点亮度降低，也可以在多个时间点进行调节，甚至可以无线控制。

4.散热基本原理

热的本质就是一种能量，散热就是能量的传递，散热有三种途径：热传导、热对流、热辐射。对于LED路灯来说，热量从LED到PCB再到散热壳体，是通过热传导的方式；热量从壳体到空气则传导、对流、辐射兼而有之。

表征物体导热能力的物理量是导热系数和热阻，二者的定义如下：

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1℃（K），在1s内，通过1m²面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/（m·K），此处的K可用℃代替）。

热阻是反映阻止热量传递的能力的综合参量，单位是W/K，或者W/（m²·K）（也有用W/（im²·K）表示的，即面积用平方英寸做单位）。对于物体上某两个点之间的热阻，我们用W/K来表示，这是最为常用的。对于均匀厚度的物体的热阻，如在导热垫片的规格书上，我们会看到有W/K和W/（in²·K）两种单位的数据，这是由于测试方法不同而产生的。

从定义可以看出，导热系数是某种物质的固有特性，与其具体的物体形状无关，定义就是按照1m³的理想物体且热量均匀传递来衡量，而热阻是跟物体具体的形状密切相关的。换句话说，同样一种材料，不管做成什么形状，它的导热系数都是一样的，而热阻则是不同的。理想状态下（比如物体是圆柱体或者长方体，热量从一个面均匀传递到另一个面），热阻与导热系数的关系是

R_th=L/λA(www.xing528.com)

式中 R_th——热阻；

L——两个面之间的距离；

λ——材料的导热系数；

A——热传递路径上横截面面积。

从上式可以看出，热阻除了与导热系数成反比外，还分别与距离成正比，与横截面积成反比。这一点经常被人忽视，有的路灯设计者只考虑材料的导热系数，而不考虑传热路径的距离和横截面积，这是错误的。如图4.51所示：虽然挤出铝导热系数很高，但是所有热量都要从中间一条筋传出去，这条筋的横截面积太小，热阻会较大，此处成为热量传递的“瓶颈”。

图4.51 散热瓶颈示意图

5.热源的计算

热源主要来自LED光源和电源。

电源产生的热量=灯具功率×（1-电源效率）

LED产生的热量=LED颗数×V_f（驱动电压）×V_I（驱动电流）×LED热效率

LED电功率最后被转化成热功率和光功率，所谓LED热效率指的是热功率与电功率的比值，这个参数可以咨询LED生产厂家，它与LED的型号、色温、驱动电流都有关系。

6.PCB材质的选择

目前用的最多的电路板是金属基印制电路板（MCPCB）和环氧玻璃布层压板（FR4）。

MCPCB金属基印制电路板导热系数高，价格也高。前面提到热阻与传热路经上的横截面积成反比，因此增加LED热沉周围的铜箔面积有助于热量向四周传开，但是多数情况铜箔的厚度都设计为35μm，对于散热来说，这个厚度实在是太薄了（热传递路径上铜箔横截面积太小了），所以这种做法对降低MCPCB金属基印制电路板的热阻并不很明显。MCPCB金属基印制电路板详细图层如图4.52所示。

图4.52 MCPCB金属基印制电路板的详细图层

FR4环氧玻璃布层压板的导热系数是很低的，多数情况只用于小功率LED，但是LumiLEDs公司给出了很好的改善方案，使之可用于某些大功率LED。具体做法可在lumiLEDs官方网站上找到相关说明。如下图，在电路板上打孔，电路板厚度0.8mm，表面敷铜厚度推荐70μm，孔壁敷铜厚度也有35μm，热阻可以做到7W/K，并不比铝基板差，但是成本低多了。FR4环氧玻璃布层压板的改善方案如图4.53及4.54所示。

图4.53 FR4环氧玻璃布层压板的改善方案图示1

图4.54 FR4环氧玻璃布层压板的改善方案图示2

需要注意的是，因为电路板两面都是镀铜的，所以背面要用导热垫片且绝缘性能要达到安全规格要求，电路板四周和螺丝孔部位的铜箔与金属壳体之间的爬电距离也要符合安全规格要求。