吴 锋：大功率LED路灯寿命提升整体设计的探讨

吴 锋   中国杭州低碳科技馆 杭州 (310051)

摘 要：当前我国正大力提倡节能、低碳与环保，基于这一发展理念，LED路灯作为新一代节能照明设备已成为首选。对大功率LED路灯而言，如何解决因产品功率不断增大而引发的散热问题、控制路灯内部温度是提升路灯寿命的有效技术手段。因此，本文从整体上创新了一种大功率LED路灯的设计，进而达到提升路灯整体寿命的效果，同时也利于路灯的管理和维护，有助于推动照明行业整体发展。

关键词：LED路灯 寿命 路灯杆 路灯罩 驱动电源

发光二极管(LED)能耗低、环保、亮度高、寿命长，被广泛应用于屏幕显示、道路照明、景观照明、室内照明等方面，是节能环保产业的重要组成部分。  

传统光源的道路照明消耗着巨大的电能。我国作为能源消费大国，在当下节能环保理念趋势下，LED因高效、节能、显色指数高等优势成为了新一代的节能光源。但由于LED路灯工作在恶劣的室外环境，在LED产品功率不断增大、产品尺寸不断缩小以及集成度不断提高的趋势下，大功率 LED 路灯的散热问题愈发严重，热量的积累会导致LED光衰严重、色温偏移、光效降低甚至导致器件失效等一系列后果，极大的影响LED路灯的实际使用寿命^[1]。

一、大功率LED路灯寿命现状

LED 芯片虽然有较长的寿命，但是被封装成 LED路灯后，会受到元器件的温度和散热等因素的影响，使用寿命大大降低^[2]。LED光源随着时间的推移，输出光效会逐渐衰减。目前业界对 LED照明产品所采用的标准大部分都是根据《LED光源流明维持率测量》IES LM-80-08 测试标准，一般是采用L70来判定，即当LED的光通量衰减为初始光通量的70％的时间就是该LED的寿命^[3]。LED的结温越高，越会严重影响LED的使用寿命甚至直接导致 LED 失效，所以降低 LED的结温至关重要。随着LED功率的不断提高，产生的大量热量如果不能及时排出会使LED结温不断升高，进而导致 LED 发光效率降低并影响其使用寿命。相关研究表明，结温平均每升高1℃，LED的发光强度降低1%, 结温升高到120℃ ,LED平均光衰达到35%, 当结温超过125℃时，LED会在短时间内失效^[4]。

虽然LED照明灯具在科技部“十城万盏”的推动下，近几年LED芯片耐热有所提高，各种散热创新也不断出现，如热电制冷技术、相变抑制传热、喷射式散热、液态金属散热、离子风散热等新型技术手段^[5]，也有利用石墨烯等新材料制作的散热器^[6]，但目前新技术仍不成熟，存在诸多需要解决的问题，成本也高于传统散热方式。目前大部分LED还是传统的散热方式，通过铝合金等导热材料制成的鳍片增大散热面积，利用空气自然对流带走热量。

当前大多数LED路灯的散热方式主要是散热片自然散热^[7]，对大功率LED路灯而言不是长久之计，随着LED芯片功率逐步增大，散热片需要越做越大，这与LED低碳环保理念不符。散热片如同一个聚热仓库，这个“仓库”在夏季可超过80度，会加快缩短灯具寿命，也会影响智能化控制的电子元器件寿命。

因此，要从根本上提升大功率LED路灯寿命，关键是做好散热。如何快速散热、降低LED灯内温度，是当下的研究重点。需要从整体上创新大功率LED路灯的设计，从而提升路灯整体寿命。

二、主动散热路灯杆与路灯罩设计

现有的LED路灯杆下部一般是封闭的，对LED光源只是起到支撑和安装电线作用，上部装有LED模块化光源路灯或一体式二次配光路灯或COB路灯，这些大功率LED路灯均是依靠上部的散热片，向灯罩四周的孔散热，许多灯具元器件都是密封装置，芯片结温高。

在一些地区，LED路灯在烈日炎炎的夏秋季节，灯内温度高于环境温度近40度，即使在白天不亮灯工作的情况下，灯内驱动电源中的电解液依然在高温下蒸发，而高温下电子元器件寿命也会缩短。对于大功率LED路灯，灯杆和灯罩的功能根本没有得到充分利用。

因此，在路灯杆和路灯罩设计时，要充分利用灯杆作烟囱效应对大功率LED路灯进行降温，起到良好的散热作用，降低芯片结温，从而提高光效、延长LED芯片和电源的寿命。合理的路灯杆和路灯罩设计，可24小时低功耗的工作，将热量不断地带出灯体外，能保持LED灯体内与环境温度大致相同，特别是在烈日炎炎的夏秋时节，对路灯内的驱动电源电子元件起到保护和延长寿命的作用，从而延长LED路灯整体寿命。

图 1 主动散热型路灯杆与路灯罩

说明：1. 路灯次杆 2. 路灯主杆 3a. 路灯上罩 3b. 路灯罩调角模块 4. 二次配光透镜 5. 模块化LED 路灯下罩6. 鼓风式出风座 7. 防粘型烟道式散热进风防蜂网 8. 进风防护罩 9. 太阳能板 10. 向下弯钩形上出风罩10a. 出风罩防护网 11. 喷气式出风罩 12. 排热风扇 13. 导热片  14. 二次配光路灯泡 15. 防尘防蜂插板

如图 1 所示的路灯杆与路灯罩，路灯杆下部设有防粘型烟道式散热进风防蜂网，配套的路灯罩上罩中上部设有鼓风式出风座，并与右侧上部设有向下弯钩形的上出风罩连接，构成散热效应，其出口设有防粘型蜂鸟防护网，下部设有路灯下罩，并可按需安装太阳能板，可适配多种大功率LED二次配光路灯泡，如COB二次配光路灯泡、模块化LED二次配光路灯泡、多个芯片二次配光路灯泡等。该路灯杆和路灯罩利用空气动力学、流体力学的烟囱效应，可降低现有LED路灯芯片结温，提高光效，大大地减少光衰，延长LED芯片和电源的寿命。只要路灯罩内温度高于环境温度，灯罩内热空气就会向上排出，灯杆内的空气即会向灯罩内补充，形成良性循环，达到极低功耗的散热效果。特别是在炎热地区及夏秋之际40多度情况下，即使白天不亮灯，路灯罩内高温对电子元件损坏也很大，即使现在LED芯片耐温有了提高，但其中的荧光粉还是不可逆的。按图示设计烟囱式散热结构，在不亮灯的情况下可使路灯罩内温度与环境温度大致相同，可以大大减轻现有路灯散热片的重量，节约材料与能源，达到低碳节能效果并降低成本。

三、新型二次配光路灯泡设计

LED路灯作为功能性照明，相对一般照明，增加了二次配光。通过精准配光可以降低LED输出功率，减少散热。适配的二次配光技术一般依据道路照明的形态特点进行设计，才可实现高效节能^[8]。

如图2 所示模块化二次配光路灯泡，主要由灯上罩、下固定圈、下托圈、路灯用二次配光透镜等组成，并设置模块化插入式驱动电源。旋转座中设有进风通道，周围设有防粘型防护网，上部中心设有风扇及喷气式出风管，同时旋转座中有长条型导热片或增加活动式嵌入型高导热片，高导热片采用高导热材料制成，并可将其加工有浅槽定位与长条型导热片配合连接，紧贴铝基钣。LED光源芯片由铝基钣压框固定，为防止季节变化产生热胀冷缩而生成间隙，长条型导热片上部设有弹簧，可保证与铝基钣始终良好接触。路灯用二次配光透镜由透镜定位板固定，两者也可合并成为一个部件。灯上罩内可设有内散热虹吸孔，可降低驱动电源温度。

图 2 主动散热二次配光路灯泡

说明：1. 易损电子腔打开手柄 2. 易损电子元件插入模块 3. 模块化插入式驱动电源 4. 路灯用二次配光透镜  5.铝基钣 6. 铝基钣压框：7.LED光源芯片 8.上虹吸孔 9.喷气式出风管：10. 风扇 11.AC 电源连接线 12. 长条型导热片 13. 活动式高导热片 14. 弹簧 15. 旋转座 16. 二次配光透镜定位板 17. 电源 AC 触点 18. 下固定圈 19. 下托圈  20. 防粘型防护网 21. 下定位架 22. 灯上罩 23. 驱动电源AC 连接插头

当与主动散热路灯罩配合使用时，因其上部按空气动力学原理设置喷气式出风管，进风通道切线方向与风扇同向旋风，由喷气式出风管排出。而路灯罩上部内设有鼓风式旋风出风座，使路灯罩内冷热分隔不与进风通道混合在一起，从而使灯上罩排出LED芯片热量，在灯罩上部与风扇一起逆时针旋转向上部散热罩排风，引起旋转叠加效应，加强散热。因此，该二次配光路灯泡结构设计，通过与主动散热路灯罩上部鼓风式旋风出风座配合，大大增加排风速度，做到LED芯片产生的热量即生即出，降低结温，从而延长LED路灯寿命。

四、驱动电源模块化设计

作为LED照明灯具的电源供应器，LED驱动电源能将外界一次电能转换为LED所需的二次电能，是LED照明灯具的核心部件，其品质对LED照明灯具的可靠性具有重要影响，其稳定性也是LED照明灯具使用寿命的关键因素。

通过对大功率LED路灯进行跟踪检测，部分LED灯具陆续出现故障。通过对故障的分析，我们发现LED 驱动电源损坏所占比例高达90%^[9]。虽然LED路灯理论使用寿命长达5万小时(约12.5 年)，但其驱动电路的寿命较短，约为1.2万小时(约3年)。驱动电源成为制约LED路灯使用寿命的短板。另外，由于防水防尘等工况要求，LED路灯驱动电源一般都封装在产品内部，给 LED路灯维修带来不便，更换驱动电源的费用较高。因此，提高LED路灯驱动电源的使用寿命、降低其维修成本，提升维护便利性将极大地提升LED路灯的实际使用寿命和价值。

LED驱动电源电路中的电解电容是一种重要的电子元件，其使用寿命有公认的近似计算法则：即温度每下降10℃其使用寿命增加一倍^[10]。标称105℃寿命为2000小时的电解电容，在65 ℃下使用寿命大约是32000小时。而LED路灯工作场所为室外，在当今全球变暖的环境下，我国大部分地区夏季的地面温度已经超过70℃，在这样的条件下，电解电容的平均寿命已不到1.5万小时。

目前大功率LED路灯照明中的驱动电源，电解电容均是焊接在电路板上，并且整个电器部分被封装在内部。在电解电容损坏、而其它电器元件完好的情况下，整个驱动电源都将被换掉，形成了极大的浪费。只要LED灯芯片结温散热达到要求，LED灯珠寿命就有近 5 万小时，但是几乎所有LED路灯的驱动电源均提早损坏。目前LED路灯的驱动电源质保时间一般均为三年，若按每天使用12小时、一年365天计算，也只使用了不到1.4万小时，质保5年的也只有近2.2万小时。这与LED芯片灯5万小时的使用寿命相差甚大。经智能控制，时控节能减少了功率而寿命得到了相对延长，但与 LED芯片相比，其寿命仍然较短。

为节约资源，提高驱动电源的利用率和整体寿命，除了降低LED路灯内驱动电源温度外，还可以采用一种模块化的设计方法。将电解电容等易损电器元件当作与电路板分离的一种附件，不直接安装在电路板上，利用一个外壳把相关易损元器件全部封装进一个模块化电器接插件中，按需通过各种接插件组与电路板内各个电解电容位子用电路板或线路连接，当电解电容达到使用寿命时只需更换该模块接插件，驱动电源就可以再次使用。在LED路灯正常的使用寿命里，只需更换二次该模块接插件即可，这样可以使得LED路灯整体5万小时的使用寿命成为现实。而且该模块化接插件可以通过相关线路与电路板连接，通过防水防尘防晒设计，其安装地点可选余地更大，可以方便地进行后续更换，无需高空作业，做到和普通家庭更换灯一样方便。

五、结论

本文从整体上创新了一种大功率LED路灯的设计，通过主动散热路灯杆与路灯罩、新型二次配光路灯泡和模块化驱动电源的设计，利用烟囱效应对大功率LED路灯进行24小时低功耗工作，降低芯片结温，从而提高光效、延长LED芯片和驱动电源的寿命，达到提升路灯整体寿命的效果。

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