LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比样本.docx
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LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比样本
LED球泡灯市场分析和各类球泡灯电源方案对比
LED球泡灯全方面替换白炽灯时代立即到来
进入以后，LED逐步向室内照明进军，这也意味着开始向民用家庭进军。
首先这是一个大喜事，因为民用市场是很之大；其次也是一个极为严重挑战，因为民用市场要求成本尤其低，可靠性尤其高。
现在离开完全满足民用市场要求还很远，能够说还有很长路要走。
最一般民用灯就是白炽灯，也就是我们一般用灯泡。
所以假如LED要替换白炽灯泡，就要开发出一个不管在灯头形状还是外型上全部和白炽灯泡类似灯泡，这就是我们通常称为LED球泡灯。
能够想象，球泡灯市场是十分巨大。
一．对LED球泡灯要求
因为要替换白炽灯，所以最少要有以下几方面要求：
1.亮度要相当白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数。
LED即使也能够只讲瓦数，不过因为LED光效还在不停发展，只说瓦数并不能代表其流明数。
白炽灯最常见瓦数有15瓦、30瓦、45瓦、60瓦、75瓦和100瓦等。
假如要讲流明数，那么能够用白炽灯发光效率来计算。
白炽灯发光效率在7.5-12lm/W。
瓦数越大效率越高。
所以上面列出多个瓦数白炽灯相对流明数能够列表以下：
假如采取LED来替换，也能够得出对应瓦数。
不过因为LED发光效率在不停攀升，所以极难给出正确数字。
假定采取现在通常LED1，其光效为100lm/W，假如采取最高光效LED2，其光效为130lm/W（暖白光效会低于此值）。
就能够得出对这两种光效LED对应瓦数来。
不过因为LED需要恒流源，而恒流源有一定效率，假定为85%，另外因为LED不可能采取透明泡壳，而只能采取乳白泡壳。
其透光率大约为85%。
二者相乘等于0.72。
.考虑以上原因以后就能够得出和白炽灯相当瓦数来。
由表中可见，LED2在一样亮度时大约能够节省10倍功率。
有一点需要尤其说明。
就是从现在LED球泡灯光效和散热来说，它还不可能做到10瓦以上，也就是说现在还只有能够替换60-75W白炽灯LED球泡灯。
当然PAR灯就另当别论了（后面将讨论）。
2.外形要类似通常白炽灯为梨形，所以LED球泡灯也应该为梨形。
这点是很轻易做到。
不过白炽灯为全玻璃制品，LED因为要散热就极难采取全玻璃结构。
下面会具体讨论LED球泡灯结构。
3.体积大小要相当，因为LED需要恒流源和散热器，所以这是很难做到
4.重量要相当，一样因为LED需要恒流源和散热器，所以这也是很难做到
5.灯头要相同中国过去大全部是采取卡口式，改革开放以后大全部改用和美国一样螺口式。
就是美国E26或E27。
这点也还是很轻易做到
6.电源要相同，全部应该是220VAC（或美国110VAC），这也是没问题
二．LED球泡灯结构
LED球泡灯能够分为外部结构和内部结构。
我们先来看一下它外部结构。
一个经典LED球泡灯外形图1所表示（这是作者最近在美国硅谷Fry’s电子商店上看到最大功率LED球泡灯，价$40）：
图1.LED球泡灯外形
这是一个5WLED球泡灯，全长13cm，散热器长5cm，直径4.5cm，泡壳长5.2cm，直径5.5cm，重量114克。
它大约能够替换45W白炽灯。
其外部结构关键包含3个部分，一个是灯头，二是散热器，三是泡壳。
而内部结构则关键是2部分，一是恒流驱动电源，二是LED灯板（包含铝基板和LED）在内（图2）。
图2.球泡灯组成
下面分别来讨论这多个部分组成。
三．球泡灯电源
因为球泡灯全部是用市电供电，所以电源也必需是市电交流输入，英文称为Off-Line，有把汉字译成离线式是很不合适，因为英文原意是FromLine意思，应该译成在线，但又会和网络在线相混，所以不如就直接称为市电式电源。
球泡灯市电式电源基础指标以下：
1.电源基础类型：
关键分隔离式和非隔离式两种，那是指负载端是否和火线220V隔离。
通常说，非隔离因为不需要隔离变压器，所以成本低，但要求铝基板耐压高，不然散热器就有可能带电。
所以比较不轻易经过安规检验。
隔离式就比较安全，比较轻易经过安规，但成本高。
2.电源输出功率：
因为球泡灯体积大小必需和玻壳白炽灯相当，所以散热器大小有限，现在还不能超出9W。
3.电源效率：
通常隔离式在80-85%左右，非隔离式在90%左右
4.电源功率因数（PF）：
不加PF校正在0.5-0.6,加PF校正在0.9-0.99左右
5.体积大小：
因为球泡灯留给电源空间很小，所以体积限制很严。
下面来介绍多个经典球泡灯电源。
3.1非隔离式电源
下面是一个采取美国安森美NCP1014非隔离式电源原理图（图3）
图3.非隔离式电源原理图
这个电源基础指标以下：
图4.NCP1014LEDGT外形图
其实这个电源关键就是一个恒流二极管NSI45025，以确保LED恒流在25mA。
所以它只能用于小功率贴片式LED。
其中外加集成电路NCP1014实际上是一个有源式功率因数校正（PFC），能够把它功率因数提升到>0.9以满足美国能源之星要求。
输入端L1,C1,C2是一个防电磁干扰EMI滤波器。
它缺点是非隔离，所以220V会直接加到负载LED上。
其实假如不要求功率因数话，那么采取恒流二极管（CRD）电源方案能够做得很简单（图5）。
图5.最简单采取恒流二极管球泡灯电源
这种电源功率因数大约在0.5-0.6之间。
因为电路简单，所以体积能够做得很小，而且成本很低。
3.2隔离式电源
为了提升安全性，最好采取隔离式电源，这么就多了一个隔离变压器，增加了体积、成本，降低了效率。
图6是一个采取iWatt企业iW3610反激式隔离电源电路图。
其实这个芯片和Cypress企业CY8CLEDAC02十分类似。
图6.采取iW3610隔离式电源电路图
其关键技术指标以下表所表示：
这个电路还能够自动检测墙上有没有可控硅调光器，假如有话就能够调光，其调光范围能够从2%调到100%。
而且最终采取了PWM调光，调光频率高达900Hz，所以避免了闪烁。
另外因为采取了准谐振控制使其总效率高达85%。
它还有一个特点是采取变压器初级反馈从而取消了光耦合器件。
它外形图图7所表示。
其外形是专门为球泡灯而设计。
图7.iW3610演示板
四．球泡灯散热器
球泡灯LED通常焊接在一块铝基板（LED底板）上，这块铝基板再和一片圆形铝散热板固定，然后再把这块铝散热板固定到散热器外壳上去（见图8）。
图8.LED底板怎样固定到散热器上去
图中铝散热板上能够看出有精加工痕迹。
经过精加工以后LED底板就能够直接固定上去，不然话，二者之间会有气隙，需要涂覆硅导热胶以改善导热。
球泡灯因为体积限制所以散热是一个大问题。
不管是哪种散热器全部是只能依靠对流和辐射两种方法来把热量散发到空气中去，而这两种散热能力全部是和它散热面积成正比。
而球泡灯散热面积能够以下计算。
假定其散热器能够近似为一个截去尖顶圆锥体。
假定大圆锥体高度为H，直径为D，而截去小圆锥体高度为h，直径为d。
图9截顶圆锥体
圆锥体侧面积为πHD/2，所以截去一个尖顶以后侧面积是πHD/2-πhd/2=π（HD-hd）/2。
假定H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么这个截顶以后侧面积就是48.7cm2，可近似为50平方厘米。
而因为大多数散热器全部开了沟槽，以增加其散热面积，开沟槽以后所增加散热面积为沟槽深度g乘长度l再乘2，再乘以沟槽数。
假定沟槽平均深度为0.3cm，长度为5cm，沟槽数为46个，那么开沟槽以后增加面积为0.3x5x2x46=138.cm2。
总计散热面积为188cm2。
依据经验数据，每瓦所需要散热面积大约在35-60cm2。
具体要多大取决于环境温度和许可升温。
因为球泡灯大部分是用在室内，环境温度不是很高，所以能够采取35cm2/W。
所以188cm2散热面积能够散大约5.3W左右。
不过这只是极为粗略估量，能够得到一个数量级概念而已。
真正散热情况还是要实际测定才能够。
日本技术在线拆解了多个LED球泡灯。
并实测了其泡壳温度，结果以下表所表示：
因为室温是相同，
表10多个球泡灯外壳温度
表中球泡灯功率从7.5W到4W。
温升最低是4W球泡灯，其外壳温度为38度。
温升最高为东芝照明7.2W球泡灯，其表面温度高达61度。
这是因为东芝球泡灯散热器没有开槽沟缘故。
所以不开槽沟散热器，即使表面光滑，外形好看，但其散热效果会差很多。
而表面温度越高，在一样系统热阻和功耗情况下，LED芯片结温也越高，LED寿命就越短。
因为球泡灯散热器面积限制，所以极难散热超出7-9W。
依据现在LED光效，它流明数也就相当于60W白炽灯。
伴随以后LED光效逐年提升，相信会出现一样大小而能替换100W白炽灯。
散热器材料现在大多数采取铝合金，因为成本低廉，加工轻易，而且导热性好。
不过最近出现了很多绝缘塑料散热器和陶瓷散热器，其散热效果也不差。
因为最终散热关键靠对流和辐射。
而对流完全由其形状和面积决定。
辐射则和材料辐射性相关。
多种材料热辐射系数以下表所表示：
由表中可见，氧化处理是改善金属材料辐射散热关键路径。
而导热塑料则不需要任何氧化处理就能够达成极高辐射系数。
所以只要其外形和金属散热器一样，那么其对流和辐射效果是和金属散热器效果是相同。
不过其热传导性能肯定不如金属，所以整体散热效果会差部分。
不过假如把它做得尽可能薄，再加上一层金属内壁，就能够把这个热传导低不利原因降至最低。
现在已经有导热系数大于20w/mk塑料，不过其单价比较高。
陶瓷散热器情况和塑料散热器情况一样。
只是其导热系数能够做得更高，当然成本也要高很多。
图10是上海龙茂微电子企业6W塑料外壳球泡灯。
它散热器温度为67度。
图10一个6W塑料散热器LED球泡灯
塑料和陶瓷最大优点是绝缘，所以即使采取非隔离电源也轻易经过安规检验。
另外，为了改善泡壳里恒流驱动电源散热，通常全部要加入导热密封胶，以替换导热差空气。
还有一个方法是在散热器上打孔，方便空气流通。
不过就会有防水问题。
五．球泡灯泡壳
所谓泡壳就是指前面透明玻壳。
在白炽灯中，全部全部是由玻璃做成外壳，不过在球泡灯中，即使也能够用玻璃做前面外壳，实际上也是有这么做。
不过因为LED球泡灯重量很重，要比白炽灯重5倍以上，假如用玻璃做话，掉在地上，摔破可能性就大多了。
所以更多LED球泡灯采取塑料做泡壳，以防摔坏。
而且LED球泡灯因为热量全部从散热器散出去了，所以经过泡壳光大全部是可见光，极少有发烧红外线，所以采取塑料来做泡壳也不会因为过热而损坏。
不过塑料外壳最大问题是透光率问题。
因为LED存在眩光问题，所以尽可能采取乳白色泡壳，以免看到里面LED灯珠。
而乳白色泡壳。
其透光率就更成问题了。
所以对于用于LED球泡灯泡壳塑料有以下要求：
1.含有高透光、高扩散、无眩光、无光影；
2.光源隐蔽性要好（尽可能看不到LED灯珠）；
3.透光率达成90％以上；
4.含有高阻燃性；
5.含有高抗冲击强度；
现在中国有一个称为智光LED光学灯罩听说能够实现全部以上要求（图11）。
图11多种LED塑料泡壳
假如真能够实现94%透光率，而且还能防眩光，无光影，那么真是十分理想了。
其外观图图12所表示。
图12智光LED光学灯罩外观图
六．多个品牌LED球泡灯
下面列出了多个市面上批量生产品牌LED球泡灯实测结果
能够注意到一个60W玻壳白炽灯重量只有28g。
要比这些LED球泡灯轻5倍左右。
另外表中发光效率不是LED本身发光效率，而是指整个球泡灯发光效率，其中包含了电源效率和光罩透光率。
所以，要能达成100lm/W整体光效还有一段旅程要走。
．LEDPAR灯
PAR灯实际上是飞利浦企业一个大功率卤素灯规格，飞利浦把它称为“氯铵灯”。
不过这个名字并没有得到推广。
通常称为“筒灯”或“射灯”。
而射灯关键是指那种含有MR16插座灯，所以我们临时还称它为PAR灯或筒灯。
因为要和这种PAR灯兼容，所以大功率LEDPAR灯就也采取和PAR灯相同尺寸。
只是结构不一样，瓦数不一样，亮度不一样。
飞利浦企业PAR20、PAR30和PAR38外形图图13所表示。
而相兼容LEDPAR灯，其外形尺寸和她们完全相同（图14）。
图13.飞利浦企业PAR20、PAR30和PAR38外形图
图14和PAR20、PAR30、PAR38相对应LED筒灯
采取LED以后，因为没有统一规格，所以含有多种不一样性能指标，现在选择其中比较经典者和原来飞利浦卤素灯指标比较以下表所表示。
其中光强指标二者所用单位不一样，飞利浦采取cd（烛光），而通常LED则采取lm（流明）。
二者关系以下：
φ（流明）=4πI（烛光）。
不过因为二者发射立体角不一样，所以无法换算。
只能大致说，卤素灯发光效率大约为17-33lm/W。
而LED发光效率在100-130lm/W。
约比卤素灯高4-6倍。
PAR灯和球泡灯结构基础相同，只是体积大部分，瓦数大部分。
所以要求电源功率也要大部分。
今年2月美国凌特企业宣告了一个用于LED恒流驱动IC（LT3799），它能够驱动4-100WLED，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，而且还能够用于可控硅调光。
图15可用于高功率LEDPAR灯反激式隔离型恒流电源
这个电路图是一个给24瓦PAR灯用演示板电路图。
其关键技术指标以下：
它演示版部署图图16所表示。
具体应用时当然也能够设计成圆形。
图16.LT3799演示版
这个市电恒流源因为功率大，而且能够适应4-100W宽功率范围，所以一定是采取外置MOS开关管，而且也因为功率大，所以要求采取功率因数校正（PFC）。
对于不一样功率，除了要选择不一样MOS管外，还要求选择不一样大小变压器。
变压器加大了整个恒流源体积和重量，降低了效率。
不过这是为隔离市电所必需。
八．LED球泡灯市场前景
据相关方面估量，LED将以每十二个月30%以上成长率增加直至。
LED球泡灯假如要全部替换白炽灯话，其全球市场规模达成6400亿美元，而到12月为止，LED球泡灯销售量为万颗。
其市场渗透率只有3.2%，估计到能够达成12.5%。
也就是相当于800亿美元销售额。
而其单价将以每十二个月15-20%速度递降。
一个能够替换60W白炽灯LED球泡灯，在卖90美元，到就只卖40美元。
而中国更是生产和使用白炽灯大国，生产白炽灯37.9亿只，约为全球产量三分之一，本国每十二个月消费14亿只。
不过中国还没有要求何时严禁白炽灯生产日期，而只是准备经过征收消费税来加紧淘汰白炽灯。
然而，现在也只是准备用节能灯来替换白炽灯，而不是用LED球泡灯来替换。
所以即使中国也生产了不少LED球泡灯，不过关键为出口。
本国销售只占极少数。
其根本问题还是价钱太贵。
不过伴随LED发光效率提升，生产成本降低，LED球泡灯一定会有一天能够全部替换白炽灯。
假定替换全中国白炽灯需要时间，我们能够来粗略地估量一下这十年里在中国LED球泡灯替换过程。
*因为人民币汇率不好估计，所以以美元计
现在LED最高发光效率大约为140lm/W，估计到，LED光效将要提升到240lm/W。
这就能够降低电源功耗，减小散热器体积和重量。
从而降低整个LED球泡灯成本。
那时候，LED球泡灯全方面替换白炽灯时代就会到来！
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