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基于COB光源的LED生鲜灯设计及实现

2015-06-26 10:39 | 来源:未知

1 前言

超市内的灯光照明一般分为基本照明、特别照明和装饰照明。 生鲜照明适用于水果、蔬菜、鲜花以及鱼类、奶酪、肉制品区和熟食区、餐台等照明场合,属于特别照明范畴。 好的照明使商品更加诱人,增强顾客的购买意愿。 生鲜照明配合超市整体布局,着眼于对生鲜食品“新鲜”的展示,刺激消费者的购买欲望,促成消费行为的完成。

LED被称为继白炽灯泡、节能灯管之后的第三代照明光源,具有节能、环保、寿命长、体积小、方向性好、无红外线和紫外线等特点。

LED生鲜灯是专门针对生鲜食品照明,通过混色设计原理,展现无与伦比的照明效果,显著提高空间的整体协调性,凸显冷光源技术,光线中不含红外线和紫外线,有效延长生鲜食品的保鲜期,吸引顾客光顾生鲜食品区。

例如,红色灯系用于肉食区,突出肉质鲜美,创造吉祥欢乐的气氛;蓝色灯系用于超市海鲜区照明,给人以置身于广阔大海蓝天之感;绿色灯系用于蔬菜水果区,给人以充满活力之感,表现生机盎然的大自然;橙色灯系结合西式糕点面包,柔和明快,彰显甜美鲜嫩口味。 产品外形多样、颜色丰富,最大化地满足不同生鲜区域的照明需求,优化超市生鲜区域照明,从而吸引顾客,刺激消费。

2 现代化超市对生鲜照明的需求分析

  超市水果区、蔬菜区、面包区的环境中灯光、色彩等环境因素,不仅能够给顾客以美的享受,运用得好,还可以刺激顾客购买商品。 生鲜照明灯具适用于这样的场合:超市及大卖场生鲜区、熟食区、干果区,水产区等区域,灯具外壳颜色可分:绿色、红色、黄色、多种色彩,贴合超市生鲜区的不同气氛。

表1给出了目前的超市生鲜区照明存在的主要问题[1]。

文章给出了一种基于COB光源的LED生鲜灯设计,可较好解决上述问题。

3 COB光源的LED生鲜灯设计

3.1 COB光源及特点

所谓COB封装,是英文Chip on Board的缩写,是指LED芯片直接在基板上进行邦定封装(见图1)。 COB封装主要用来解决小功率芯片制造大功率LED的问题,可以分散芯片的散热,提高光效,同时改善LED灯的眩光效应,减少眼睛对LED灯眩光的不适感[2]。

COB封装的主要优点如下:

(1)LED光源芯片直接置于铝基、铜基或陶瓷基板上,热的传导、热辐射性好,光输出稳定,光衰小;
      (2)较好地消除了光的点状效应,表现为面光源整体发光,光线均匀柔和,增加单个光源的功率,最大限度避免眩光和斑马纹,发光效率获得提高;
      (3)基于小芯片做大功率应用,性价比较高,成本较低;
      (4)COB光源无需回流焊,较少受热影响,从而热劣化也较低;
      (5)采用硅树脂填充,避免因为材料硫化而导致的光通量输出降低,从而提高光通量输出维持率。

概括而言,COB光源可直接将多颗LED芯片封装在高导热性能的基板上,再通过二次光学透镜输出,使产品体积更加轻薄短小,而且缩小了光源面积,减少材料消耗,降低系统成本,免去组装和回流焊接的人力消耗,提高产品的竞争力。

3.2 设计指标及参数

3.2.1 灯具特点

(1)安装方式:可采用目前常用的收缩式吊线安装,可调节灯的高度;
      (2)外壳采用高纯度压铸铝支撑,内面喷砂氧化处理;
      (3)不再需要防护玻璃,PMMA材质的二次光学透镜同时具备光学配光与防护作用,避免了光损失,提高光通量;
      (4)散热器采用高纯度压铸铝柱,及辐射状散热器。 采用热电偶测试,输出功率为30W时,COB光源表面温度不超过56℃(环境温度Ta=25℃);
      (5)无频闪。 工作于低压直流电压,恒流电流,消除了传统光源50Hz频闪引起的视觉疲劳。

3.2.2 COB光源参数

(1)高的流明效率:≥85lm/W;
      (2)无紫外线(UV)和红外线(IR)辐射;
      (3)光源热辐射量低,显色性(Ra)好,可获得正确识别颜色的环境;
      (4)显色指数(CRI)高,光色均匀,色彩亮丽逼真;
      (5)在整个有效使用寿命周期内,光色恒定;
      (6)通过光学二次透镜配光,获得指向性强的光,被照物体可获得质感和光泽感。

3.2.3 恒流电源参数

(1)宽电压工作,输入电源电压为:AC85-270V,确保寿命及亮度不受电压波动影响;
      (2)PWM恒流技术效率高、热量低、恒流精度高,要求电源效率:≥90%;
      (3)功率因数≥0.95,谐波失真THD≤20%,EMI符合全球指标,降低了供电线路的电能损耗和避免了对电网的高频干扰污染;
      (4)输出采用隔离方式,确保安全可靠;
      (5)有完善的短路、开路、过载保护,并且耐冲击,抗浪涌。

4 COB光源的LED生鲜灯设计过程

4.1 COB光源

这是一种基于铜基板,特点在于热阻较低,LED结温易于控制,保证整个照明灯具工作稳定。 图2给出了COB光源外形尺寸图,图3给出了该COB光源的光通维持率试验数据曲线。

4.2 COB光源透镜

此次设计选择的透镜为单颗COB光源透镜,材料为PMMA,耐温范围最大可达90℃,专业非球面镜面抛光,光斑均匀,透光率达到91%~93%,发光角度为60°。 图4给出了单颗COB透镜的外形尺寸图。

4.3 散热器

4.3.1 结温(Tj)

LED结温是指二极管PN结区的温度,广义上可理解为LED芯片的温度[3]。 其形成是由于LED空穴、电子运动,一部分能量产生有效的光电效应,发出光子;另一部分是以发热的形式消耗掉了,从而导致PN结区芯片发热。 对于一个封装好的LED光源来讲,产生结温有两个原因,其一为出光效率低,说明大多数电能转换成热能,形成了结温,其二为LED封装的散热能力。 散热能力是导致结温高低的关键条件,散热能力强,结温下降;反之散热能力差时结温将上升,其结果将会导致出光效率更低,更进一步推动结温的上升。

由此可进一步推论,在相同的环境温度下,热阻小(即散热能力强),光通量几乎与正电流成正比例增加。 图6给出了LED结温示意图。

图7(a)给出了LED结温与输出光强的函数曲线,可以看出,结温越高,输出光强越低。

图7(b)给出了LED结温与预期寿命的函数曲线,同样可以看出,结温越高,寿命越短。

4.3.2 热阻(Rθ)

热阻是指物体对热量传导的阻碍效果,单位为℃/W,通常用Rθ表示,也就是说物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差。 LED热阻描述为LED散热通道上的两个节点之间热功率流的阻值,其数学表达式为:

Rθ=△T/PD(1)
      其中,△T为温度差,PD为两个节点的持续热功率。
      由上式可知,△T与Rθ成正比例关系,热阻越大,温差越大,散热能力越差。
      图8给出了光源热量散发示意图,其中TA表示环境温度,TS,表示外壳温度,工程上也可视为COB基板温度。

4.3.3 散热器选择

热量对于LED的影响因素如下:
      (1)本身LED热量比较集中,导致LED结温上升,会引起热应力的非均匀性分布,芯片发光效率显著下降;
      (2)一旦LED结温超过一定值时,器件失效率呈指数规律增加。 统计显示,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%;
      (3)当多个LED密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更严重。
因此,解决热量管理问题已成为LED照明应用的先决条件。 LED器件的散热途径主要是热传导和热对流,又以传导作为最主要的散热方式。

LED散热器的选择,可参考以下几点:
      (1)根据LED功耗、使用环境温度及LED允许最大结温来选择合适的散热器。 通常结温Tj可取:
       Tj≤(0.5~0.8)Tjmax(2)
      (2)LED与散热器的接触面应保持平整光洁,散热器的安装孔要攻丝,尽量减少空气隙;
      (3)LED与散热器和绝缘片间的所有接触面处应均匀涂覆导热硅脂;
      (4)型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装,以便于自然对流;
      (5)散热器应进行表面处理,以增强辐射换热效果;
      (6)还应对体积、重量及成本的限制和要求进行折衷考虑。
有鉴于此,我们设计的一体化导热柱和散热器,这两种散热器的连接关系是紧配合,较好的实现了散热要求。

图9给出了是一体化导热柱的结构图;图10为散热器的结构图。

4.4 恒流电源

4.4.1 PCB板布线原则

恒流电源对应LED灯具的重要性毋庸置疑,这里不再赘述。

本次基于LNK406设计的恒流型开关电源。 LED恒流驱动电源工作在高频率,高脉冲状态,属于模拟电路中的一个比较特殊种类。 其PCB设计时须遵循高频电路布线原则。

(1)布局:脉冲电压连线尽可能短,其中输入开关管到变压器连线,输出变压器到整流管连接线要尽量的短宽。 脉冲电流环路尽可能小。 X电容要尽量接近开关电源输入端,输入线应避免与其它电路平行。 电感应与变压器保持一定距离,以避免磁偶合。 以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。

(2)输出电容:一般可采用两只,一只靠近整流管,另一只应靠近输出端子,可影响电源输出纹波指标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。 发热器件要和电解电容保持一定距离,以延长整机寿命,电解电容是开关电源寿命的瓶颈。

(3)控制部分:高阻抗弱信号电路连线要尽量短,如本次设计中的取样反馈环路,在处理时要尽量避免其受干扰。

4.4.2 变压器的设计

变压器的好坏直接决定了驱动电源的整个参数以及使用寿命。 变压器漏感是一个具有重要影响的参数。 由于反激式开关电源需要变压器储存能量,要使变压器磁芯得到充分利用,一般都要在磁路中开气隙,其目的是改变磁芯磁滞回线的斜率,使变压器能够承受大的脉冲电流冲击,而不至于磁芯进入饱和非线形状态。 磁路中气隙处于高磁阻状态,在磁路中产生漏磁,漏磁便会产生漏感,漏感过大其在MOS管关断瞬间会产生很高的反向尖峰电压,如果吸收回路设计不合理便会击穿MOS管。 如果气隙过小,漏感相应减少,电感量则增大,但是磁通密度过大,输入电流会减小,容易使磁芯饱和,损毁主开关电路,因此变压器的设计必须依据电源要求综合考虑线圈匝数,磁芯尺寸,气隙宽度这些参数。

此次设计30W变压器,采用EER2010,PC40 磁芯,初级电感量800uH,原边线53圈带中心抽头,副边线30圈,反馈15圈。 采用“三明治”绕法使得副边和反馈线圈包于原边线圈之内,减小漏感。

4.4.3 电路原理图

图11为LED恒流电源原理图。 该设计可在85V~270VAC的通用输入电压范围内工作,主控器件的参考引脚通过外部电阻接地(源极)。 选取的值设定内部参考,工作模式以及电压监测引脚的输入欠压和过压阈值。 外部电阻应为24.9kΩ±1%.由于电阻阻值误差直接影响输出恒流精度,建议最好采用1%的阻值精度。 主控器件能够调整内部增益以适应满输出功率设置或减输出功率设置。 这样就可以根据散热和效率的需要,选择较大规格的器件并达到降低耗散的目的。

功率增益根据旁路引脚C4电容的值来选择。 满功率设置根据100μF电容来选择,减功率设置(较高效率)则根据10μF电容来选择。 旁路引脚电容可同时设定内部功率增益和过流保护(OCP)阈值。 吸收回路采用阻容加钳位,使得反向尖峰电压钳位在200V以下,保护芯片不被击穿。 反馈回路采用原边反馈,调整反馈电阻可大幅度的调整输出电压和功率。

例如,反馈电阻取值为310K,使得输出电压能达到50V(15个LED串)输出功率在20W,增大反馈电阻则减小输出电流,减小反馈电阻在一定范围内增大输出电流,但输出电压会随之减小。

4.5 产品装配流程

图12为LED生鲜灯装配流程图。

5 与传统方式的对比

表2给出了LED生鲜灯和传统金卤灯的对比,20W/30W LED生鲜灯,在同等照度下可取代50~75W的传统金卤灯。

(1)节能:白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10,节能灯的1/4;
      (2)环保:LED光源,没有重金属铅、汞等有害物质,符合环保要求;
      (3)长寿命:通常,LED生鲜灯可达5万小时以上,白炽灯只有1000h,节能灯寿命有3000h,金卤灯也就4000h;
      (4)LED属于冷光源类型,固态封装、抗振、有利于运输和安装;
      (5)采用COB光源和二次光学配光技术,使LED点光源扩展为面光源,增大发光面,消除眩光,改善视觉效果,消除光污染;
      (6)透镜与灯罩一体化设计。 透镜同时具备聚光与防护作用,避免了光的重复浪费,让产品更加简洁、美观;
      (7)散热器与COB光源基座一体化设计。 充分保障了LED散热要求及使用寿命,从根本上满足了LED灯具结构及造型。

6 总结

文章根据灯具使用场合的环境特点,结合目前照明的发展趋势,建立在LED照明的优点上,选用COB封装光源,通过对光、机、电、热四个方面进行综合设计,较好实现了LED生鲜照明。 可使生鲜商品看起来更新鲜,并且电源远离发热体,散热器置光源垂直上方,深罩灯具将光线集中在货品上,使货品照度达到2000lx左右。

该产品基于COB光源与散热器结合,透镜、外壳一体化设计,整个灯具获得较长的使用寿命,具有较好的应用价值和推广价值。

参考文献
      1 李鹏飞.卖场生鲜区照明技术的演绎与节能
      2 刘石全.COB封装在照明上的应用
      3 王桥立.夏志清.文静.LED结温、热阻构成及其影响


 






文章出自-河南宝鸿光电股份有限公司-http://www.baohon.net/xinwendongtai/chanpinjishu/6985.html,转载请注明出处。

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