2023年度LED球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比3187449956
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LED 球泡灯市场分析与各类球泡灯电源方案对比 3187449956 最普通的民用灯就是白炽灯，也就是我们普通用的灯泡。因此假如 LED 要取代白炽灯泡，就要开发出一种不管在灯头形状还是外型上都与白炽灯泡类似的灯泡，这就是我们通常称之 LED 球泡灯。能够想象，球泡灯的市场是十分巨大的。
一．对 D LED 球泡灯的要求 由于要替换白炽灯，因此至少要有下列几方面的要求：
1.亮度要相当 白炽灯通常只讲瓦数而不讲流明数。LED 尽管也能够只讲瓦数，但是由于 LED 的光效还在不断进展，只说瓦数并不能代表其流明数。白炽灯最常用的瓦数有 15 瓦、30 瓦、45 瓦、60 瓦、75 瓦与 100 瓦等。假如要讲流明数，那么能够用白炽灯的发光效率来计算。白炽灯的发光效率在 7.5-12lm/W。瓦数越大效率越高。因此上面列出几种瓦数的白炽灯的相对流明数能够列表如下：
假如使用 LED 来取代，也能够得出相应的瓦数。但是由于 LED 的发光效率在不断攀升，因此很难给出准确的数字。假定使用目前通常的 LED1，其光效为100lm/W，假如使用最高光效的 LED2，其光效为 130lm/W（暖白的光效会低于此值）。就能够得出对这两种光效 LED 相应的瓦数来。但是由于 LED 需要恒流源，而恒流源有一定的效率，假定为 85%，另外由于 LED 不可能使用透明泡壳，而只能使用乳白泡壳。其透光率大约为 85%。二者相乘等于 0.72。。考虑以上因素以后就能够得出与白炽灯相当的瓦数来。由表中可见，LED2 在同样亮度时大约能 够节约 10 倍的功率。有一点需要特别说明的。就是从目前 LED 球泡灯的光效与散热来说，它还不可能做到 10 瓦以上，也就是说目前还只有能够取代 60-75W白炽灯的 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 通常白炽灯为梨形的，因此 LED 球泡灯也应当为梨形的。这点是很容易做到。但是白炽灯为全玻璃制品，LED 由于要散热就很难使用全玻璃的结构。下面会全面讨论 LED 球泡灯的结构。
3.体积大小要相当，由于 LED 需要恒流源与散热器，因此这是非常难做到的 4.重量要相当，同样由于 LED 需要恒流源与散热器，因此这也是非常难做到的 5.灯头要相同 中国过去大都是使用卡口式，改革开放以后大都改用与美国一样的螺口式。就是美国的 E26 或者 E27。这点也还是很容易做到的 6.电源要相同，都应该是 220VAC（或者美国的 110VAC），这也是没问题的 二．D LED 球泡灯的结构 LED 球泡灯能够分为外部结构与内部结构。我们先来看一下它的外部结构。一个典型的 LED 球泡灯的外形如图 1 所示（这是作者最近在美国硅谷 Fry’s 电子商店上看到的最大功率的 LED 球泡灯，价$40）：
图 1. LED 球泡灯的外形 图 2. 球泡灯的构成 下面分别来讨论这几个部分的构成。
三．球泡灯的电源 由于球泡灯都是用市电供电，因此电源也务必是市电交流输入的，英文称之Off-Line，有把中文译成离线式是很不恰当的，由于英文原意是 From Line 的意思，应该译成在线，但又会与网络的在线相混，因此不如就直接称之市电式电源。
球泡灯的市电式电源基本指标如下：
1.电源基本类型：要紧分隔离式与非隔离式两种，那是指负载端是否与火线220V 隔离。通常说，非隔离由于不需要隔离变压器，因此成本低，但要求铝基板耐压高，否则散热器就有可能带电。因此比较不容易通过安规检验。隔离式就比较安全，比较容易通过安规，但成本高。
2.电源输出功率：由于球泡灯的体积大小务必与玻壳的白炽灯相当，因此散热器大小有限，目前还不能超过 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：由于球泡灯留给电源的空间很小，因此体积的限制很严。
下面来介绍几种典型的球泡灯电源。
3.1 非隔离式电源 下面是一个使用美国安森美 NCP1014 的非隔离式电源原理图（图 3） 图 3. 非隔离式电源原理图 这个电源的基本指标如下：
事实上这个电源的核心就是一个恒流二极管 NSI45025，以确保 LED 恒流在25mA。因此它只能用于小功率贴片式的 LED。其中外加的集成电路 NCP1014 实际上是一个有源式的功率因数校正（PFC），能够把它的功率因数提高到>0.9 以满足美国能源之星的要求。输入端的 L1，C1，C2 是一个防电磁干扰 EMI 的滤波器。它的缺点是非隔离，因此 220V 会直接加到负载 LED 上。
事实上假如不要求功率因数的话，那么使用恒流二极管（CRD）的电源方案能够做得很简单（图 5）。
图 5. 最简单的使用恒流二极管的球泡灯电源 这种电源的功率因数大约在 0.5-0.6 之间。由于电路简单，因此体积能够做得很小，而且成本很低。
3.2 隔离式电源 为了提高安全性，最好使用隔离式电源，这样就多了一个隔离变压器，增加了体积、成本，降低了效率。图 6 是一个使用 iWatt 公司 iW3610 的反激式隔离电源电路图。事实上这个芯片与 Cypress 公司的 CY8CLEDAC02 十分类似。
图 6. 使用 iW3610 的隔离式电源的电路图 其要紧技术指标如下表所示：
这个电路还能够自动检测墙上有无可控硅调光器，假如有的话就能够调光，其调光范围能够从 2%调到 100%。而且最后使用了 PWM 调光，调光频率高达 900Hz，因此避免了闪烁。另外由于使用了准谐振操纵使其总效率高达 85%。它还有一个特点是使用变压器初级反馈从而取消了光耦合器件。它的外形图如图 7 所示。其外形是专门为球泡灯而设计。
图 7. iW3610 的演示板 四．球泡灯的散热器 球泡灯的 LED 通常焊接在一块铝基板（LED 底板）上，这块铝基板再与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 底板如何固定到散热器上去 图中的铝散热板上能够看出有精加工的痕迹。通过精加工以后 LED 底板就能够直接固定上去，否则的话，二者之间会有气隙，需要涂覆硅导热胶以改善导热。
球泡灯由于体积的限制因此散热是一个大问题。不管是哪种散热器都是只能依靠对流与辐射两种方法来把热量散发到空气中去，而这两种散热的能力都是与它的散热的面积成正比。而球泡灯的散热面积能够如下计算。假定其散热器能够近似为一个截去尖顶的圆锥体。假定大圆锥体的高度为 H，直径为 D，而截去的小圆锥体的高度为 h，直径为 d。
图 9 截顶的圆锥体 圆锥体的侧面积为πHD/2，因此截去一个尖顶以后的侧面积是πHD/2-πhd/2=π（HD-hd）/2。假定 H=8cm，h=3cm，D=5cm，d=3cm，那么这个截顶以后的侧面积就是 48.7cm2，可近似为 50 平方厘米。而由于大多数散热器都开了沟槽，以增加其散热面积，开沟槽以后所增加的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的面积为 0.3x5x2x46=138. cm2。总计散热面积为 188 cm2。根据经验数据，每瓦所需要的散热面积大约在 35-60 cm2。具体要多大取决于环境温度与同意的升温。由于球泡灯大部分是用在室内，环境温度不是很高，因此能够使用 35 cm2/W。因此 188 cm2 的散热面积能够散大约 5.3W 左右。只是这只是极为粗略的估计，能够得到一个数量级的概念而已。真正的散热情况还是要实际测定才能够。
日本的技术在线拆解了几种 LED 球泡灯。并实测了其泡壳温度，结果如下表所示：由于室温是相同的 表 10 几种球泡灯的外壳温度 由于球泡灯散热器面积的限制，因此很难散热超过 7-9W。根据目前的 LED 光效，它的流明数也就相当于 60W 白炽灯。随着以后 LED 光效的逐年提高，相信会出现同样大小而能取代 100W 的白炽灯。
散热器的材料目前大多数使用铝合金，由于成本低廉，加工容易，而且导热性好。但是最近出现了很多绝缘的塑料散热器与陶瓷散热器，其散热效果也不差。 由于最后的散热要紧靠对流与辐射。而对流完全由其形状与面积决定。辐射则与材料的辐射性有关。各类材料的热辐射系数如下表所示：
由表中可见，氧化处理是改进金属材料的辐射散热的重要途径。而导热塑料则不需要任何氧化处理就能够达到极高的辐射系数。因此只要其外形与金属散热器一样，那么其对流与辐射的效果是与金属散热器的效果是相同的。但是其热传导性能确信不如金属，因此整体散热效果会差一些。但是假如把它做得尽可能薄，再加上一层金属的内壁，就能够把这个热传导低的不利因素降至最低。现在已经有导热系数大于 20 w/mk 的塑料，但是其单价比较高。陶瓷散热器的情况与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是上海龙茂微电子公司的 6W 塑料外壳球泡灯。它的散热器温度为 67 度。
图 10 一个 6W 的塑料散热器 LED 球泡灯 塑料与陶瓷的最大优点是绝缘，因此即使使用非隔离电源也容易通过安规检验。
此外，为了改善泡壳里恒流驱动电源的散热，通常都要加入导热密封胶，以取代导热差的空气。还有一种方法是在散热器上打孔，以便空气的流通。但是就会有防水的问题。
五．球泡灯的泡壳 所谓泡壳就是指前面透明的玻壳。在白炽灯中，全部都是由玻璃做成的外壳，但是在球泡灯中，尽管也能够用玻璃做前面的外壳，实际上也是有这样做的。但是由于 LED 球泡灯重量很重，要比白炽灯重 5 倍以上，假如用玻璃做的话，掉在地上，摔破的可能性就大多了。因此更多的 LED 球泡灯使用塑料做泡壳，以防摔坏。而且 LED 球泡灯由于热量都从散热器散出去了，因此通过泡壳的光大都是可见光，很少有发热的红外线，因此使用塑料来做泡壳也不可能由于过热而损坏。
但是塑料外壳的最大问题是透光率的问题。由于 LED 存在眩光的问题，因此尽可能使用乳白色的泡壳，以免看到里面的 LED 灯珠。而乳白色的泡壳。其透光率就更成问题了。因此关于用于 LED 球泡灯泡壳的塑料有下列要求：
1.具有高透光、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.透光率达到 90％以上；
4.具有高阻燃性；
5.具有高抗冲击强度；
现在国内有一种称之智光 LED 光学灯罩的据说能够实现所有以上要求（图11）。
图 11 各类 LED 塑料泡壳 假如确实能够实现 94%的透光率，而且还能防眩光，无光影，那么确实是十分理想的了。其外观图如图 12 所示。
图 12 智光 LED 光学灯罩的外观图 六．几种品牌 D LED 球泡灯 下面列出了几种市面上批量生产的品牌 LED 球泡灯的实测结果 能够注意到一个 60W 的玻壳白炽灯重量只有 28g。要比这些 LED 球泡灯轻 5倍左右。另外表中的发光效率不是 LED 本身的发光效率，而是指整个球泡灯的发光效率，其中包含了电源的效率与光罩的透光率。因此，要能达到 100lm/W 的整体光效还有一段路程要走。
七．R LED PAR 灯 图 13. 飞利浦公司的 PAR20、PAR30 与 PAR38 的外形图 使用 LED 以后，由于没有统一的规格，因此具有各类不一致的性能指标，现在选择其中比较典型者与原先飞利浦卤素灯的指标比较如下表所示。
其中光强指标二者所用的单位不一致，飞利浦使用 cd（烛光），而通常 LED则使用 lm（流明）。二者的关系如下：φ（流明）=4πI（烛光）。但是由于二者的发射立体角不一致，因此无法换算。只能大致说，卤素灯的发光效率大约为17-33 lm/W。而 LED 的发光效率在 100-130lm/W。约比卤素灯高 4-6 倍。
PAR 灯与球泡灯的结构基本相同，只是体积大一些，瓦数大一些。因此要求的电源功率也要大一些。
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），它能够驱动 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，而且还能够用于可控硅调光。
这个电路图是一个给 24 瓦 PAR 灯用的演示板的电路图。其要紧技术指标如下：
它的演示版的布置图如图 16 所示。具体应用时当然也能够设计成圆形。
图 16. LT3799 的演示版 这个市电恒流源由于功率大，而且能够习惯 4-100W 的宽功率范围，因此一定是使用外置 MOS 开关管，而且也由于功率大，因此要求使用功率因数校正（PFC）。关于不一致的功率，除了要选择不一致的 MOS 管外，还要求选择不一致大小的变压器。变压器加大了整个恒流源的体积与重量，降低了效率。但是这是为隔离市电所必需的。
八．D LED 球泡灯的市场前景 据有关方面估计，LED 将以每年 30%以上的成长率增长直至 2014 年。LED 球泡灯假如要全部取代白炽灯的话，其全球市场规模达到 6400 亿美元，而到 2010年 12 月为止，LED 球泡灯销售量为 2000 万颗。其市场渗透率只有 3.2%，估计到2013 年能够达到 12.5%。也就是相当于 800 亿美元的销售额。而其单价将以每年15-20%的速度递降。一个能够取代 60W 白炽灯的 LED 球泡灯，在 2008 年卖 90美元，到 2010 年就只卖 40 美元。
而中国更是生产与使用白炽灯的大国，2009 年生产的白炽灯 37.9 亿只，约为全球产量的三分之一，本国每年消费 14 亿只。但是中国还没有规定何时禁止白炽灯的生产的日期，而只是准备通过征收消费税来加快淘汰白炽灯。然而，目前也只是准备用节能灯来取代白炽灯，而不是用 LED 球泡灯来取代。因此尽管中国也生产了很多 LED 球泡灯，但是要紧为出口。本国销售的只占极少数。其根...