2024年7月18日发(作者：邴初雪)
２０１０年１Ｏ月
照明工程学报
０ｃｔ． ２０１０
第２１卷第５期
ＺＨＡ０ＭＩＮＧ Ｇ０ＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡ０
Ｖ０１．２１ Ｎ０．５
基于ＬＴ３４７６水冷散热人体感应式ＬＥＤ
照明系统的设计
王志斌谷越
（燕山大学电气工程学院，秦皇岛０６６００４）
摘要：本文设计了一款基于ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６芯片的智能ＬＥＤ照明系统。该系统可驱动ｌ～３２只大功率白光ＬＥＤ，
并根据节能的要求，给出了基于热释红外线传感器人体检测触发电路。在设计中充分考虑了大功率ＬＥＤ工作时的
散热问题，提出了可使热量快速散失，抑制温度在ＬＥＤ正常工作结温１２５ ｏＣ以下，增加大功率白光ＬＥＤ的寿命的
散热冷却器。实验和仿真证明，该系统安全可靠，经济节能，使用方便。
关键词：大功率；白光ＬＥＤ；散热冷却器；人体感应
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＴ３４７６
Ｗａｎｇ Ｚｈｉｂｉｎ ＧＵ ＹＵｅ
（Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６ ｃｈｉｐ—ｂａｓｅｄ ｓｍａｒｔ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｄｒｉｖｅ １～
３２ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ，ａｎｄ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ，ｇｉｖｅ ａ ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ—ｂａｓｅｄ！ｈｕｍａｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｒｉｇｇｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｆｕｌｌｙ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，Ｓｉｎｃｅ ｒａｐｉｄ
ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ｓｐａｎ ｏｆ ＬＥＤ ｈｅａｔ ｒａｄｉａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ．
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ，ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｕｓｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ；ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｏｌｅｒ；ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ
１ 引言
ＬＥＤ的市场应用空间巨大。
白光ＬＥＤ具有光指向性好、寿命长、体积小、
本文设计了一款采用智能传感器作为开关电路
低功耗、低电压工作、响应时间短、无红外辐射等
的照明系统，能够感应人体红外线波长实现人在灯
优点，业界专家根据现有ＬＥＤ在理论和实践上所表 亮，人走灯灭，而且响应时间快，判断准确。应用
现出的优异性能和突出的节能环保特点，预测在２ｌ
效率高达９６％的ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６为核心的驱动电路能
世纪上半叶以ＬＥＤ为代表的新型光源将成为光源的
在提供ＬＥＤ正常工作的电压、电流同时，将功率损
主流产品 。我国对白光ＬＥＤ需求巨大，预计２０１０
失降至０．１ｗ，并且可以根据用户需要调节驱动电
年我国的照明用电为３５００亿千瓦时 。受能源紧张
路以达到驱动更多或是减少ＬＥＤ的数量。该系统特
和环保要求的影响，我国必须走节电道路， 别适合用于洗漱台、卫生间等的照明。
国家自然科学基金（６０８７ ７０４７），河北省自然科学基金（Ｆ２００８０００８７３）资助项目
照明工程学报 ２０１０年１０月
的同时不会引起明显的温度变化。散热器的结构如
２ 基于ＭＣＣ（Ｍｉｓｉｃｏ Ｃｈａｎｎｅｌ
图１图２所示。
以硅片为散热
Ｃｏｏｌｅｒ）理论的散热冷却器设
计
长期以来，大功率白光ＬＥＤ的散热一直是困扰
人们的一个重要问题，过多的热量不能及时外排成
为影响大功率ＬＥＤ寿命的主要原因之一 。本设计
使用的１０Ｗ大功率白光ＬＥＤ工作电压在１４Ｖ～１７Ｖ
之间，工作电流７００ｍＡ的ＬＥＤ散热良好时工作
３０００小时，光衰减小于２％，１００００小时后衰减６％
以内，寿命可达５００００小时左右，但由于温度对其
影响严重，如果散热不当，将产生严重影响，缩减
其使用寿命达７０％～８０％。
ＬＥＤ是以电子在能带间跃迁产生光的，光谱中
不含有红外部分，所以ＬＥＤ的热量不能依靠辐射散
发。目前ＬＥＤ的发光效率只达到了ｌ５％一２５％，其
余的能量均转换为热能，电流通过ＬＥＤ时，ＰＮ结
温度会升高，用ｔ，表示。
ｔ』＝ＲｌＪＰＤ＋ｔ
式中，Ｒ ，为ＰＮ结与外界环境的热阻，Ｐ。为
ＬＥＤ耗散功率，ｔ 为外界温度。
如果芯片结温不能及时散出，会加速ＬＥＤ老
化，这种老化速度是指数形式的。一般１２５℃为一
个界限，而一旦ＬＥＤ温度超过１５０ｏＣ，则会造成
ＬＥＤ的永久失效。据研究，ＬＥＤ在３０℃下的工作寿
命比７０℃下工作时间长２０倍。
１９８１年，美国学者Ｔｕｅｋｅｒｍａｎ和Ｐｅａｓｅ基于微
电子机械系统技术提出了微通道制冷器（Ｍｉｓｉｃｏ
Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｏｏｌｅｒ）散热方案 ，受此启发，本文设计
了一种结构相对简单的散热器，主要以铜、铝材料
构成。铜基板导热率大，因此其紧贴ＬＥＤ的基板，
ＬＥＤ工作时产生的热量就能尽快被铜基板传导出
去；铝材料散热快，因此将铝制厚板内部制成网络
结构，即微型细小的通道网络。冷却剂则选用日常
用的自来水，安装时将散热器安装在洗漱室与水管
相连。这样，洗手、洗脸时水在管道中流动，流过
ＬＥＤ基板下的散热器，将产生的热量带走，同时水
的温度较低，也能使ＬＥＤ工作在一个较低的温度环
境中，增加其使用寿命。散热器不必做的过大，因
为水的比热容较大，而且一般水龙头的流速均在
０．１５Ｌ／ｓ以上，所以，ＬＥＤ产生的热量在被快速带走
铜基散热
基板散热通道
散热通道
图１散热器结构
图２散热器安装结构
３ 人体检测电路的设计
为了实现智能、节能的目的，本系统的检测器
件采用对人体温探测精度很高的热释电敏感元件
（ＰＩＲ），它是一种被动式传感器，只要有人在区域
内活动它就能检测到红外线。传感器的作用距离为
几米至几十米，型号不同作用距离不同，热释电红
外传感器检测到人的活动时输出端就会输出高电平。
本设计采用德国海德曼公司的热释电元件ＬＨＩ７７８，
其特点在于只对外界辐射而引起的自身温变时才产
生一个相应的电信号。当温度变化趋于稳定后，无
信号输出，为了使检测器只对人体最敏感，而对太
阳、其他光源等具有抗干扰能力，需要采用滤光片
作窗口的滤波传感器。滤光片是硅基片上镀了多层
膜制成的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射最
长满足维斯位移定律。
Ａ Ｔ＝２８９８（ ｍ・ｋ）
人体辐射最大波长为Ａ ＝２８９８／３０９＝９．４
（ｐ，ｍ）即，人体辐射在９．４ ｍ时最强。因此红外滤
波片选取了７．５—１４／ａ，ｍ波段。能有效的选取人体的
红外辐射。ＬＨＩ７７８结构如图３所示。
将性价比较高的ＬＨＩ７７８与专用的热释红外传
感器驱动电路ＣＳ９８０３ＧＰ组合构造一款性能稳定便
于控制的触发电路。ＣＳ９８０３ＧＰ采用ＣＭＯＳ工艺，
工作电压４．０～５．５Ｖ在同类产品中性能优良，且价
第２１卷第５期 王志斌等：基于ＬＴ３４７６水冷散热人体感应式ＬＥＤ照明系统的设计 ９ｌ
设计原理图。
ＬＨＩ７７８感应到人体所发出的红外波后，发出持
续信号，信号经过ＣＳ９８０３ＧＰ内部二级放大滤波后，
再经其内置电压比较器比较，以判断是否正确触发。
触发则输出一个高电平。此时，芯片的计时器开始
计时，并进入延时状态。这种结构可充分减少误判
断。ＲＧ为外接光敏电阻，其白天受光照阻值很低，
因此产生一较大电信号经非门反向成为低电平。夜
Ｌ丑工７ 宦
间则相反。内置的输出控制器相当于一个与门的功
图３ ＬＨ１７７８结构图
能。只有当ＲＧ产生小信号经非门反向成为高电平、
计时输出及过零检测同为高电平时，芯片才会输出
正脉冲，控制下一步动作。如图４所示，Ｒ２、Ｃ３决
定时钟频率，ＲＰ２、Ｒ３、Ｃ４决定定时器的周期。
格便宜。其内置两级运放，噪声抑制电路，增益可
调。内置３．１Ｖ稳压输出用以驱动ＰＩＲ。控制时间可
调，有两种输出形式。工作稳定可靠，结构紧凑外
围元件少，功耗低。图４是人体检测触发电路的
图４人体检测触发电路
功率ＬＥＤ配套使用。
４驱动电路的设计
关于１０Ｗ的白光ＬＥＤ驱动电路，本设计选用
凌力尔特公司新近推出的一款大功率ＬＥＤ驱动器
ＬＴ３４７６。ＬＴ３４７６为ＤＣ—ＤＣ式转换芯片，有一个２．８
～
ＬＴ３４７６内置４个运放，两个三极管开关，一个
斜率发生器，一个可提供２００ｋＨｚ～２ＭＨｚ的振荡器，
ＳＲ锁存器等，配置灵活，功能强大。ＣＳ９８０３ＧＰ产
生大于１．５Ｖ的驱动电压加到ＳＨＤＮ端口，启动
ＬＴ３４７６。其特有的大电流检测结构将检测流经ＬＥＤ
１６Ｖ的宽电压选择范围，可依个人需要灵活设置
阵列的电流，将其信号输送到内置误差放大器Ａ１
的正向输入端，与电流检测误差放大器的反向输入
外围设备。其拥有４个１．５Ａ，３６Ｖ的内部ＮＰＮ开关
的独立驱动器通道，每个通道都能驱动８个串联１Ａ 端所检测的信号比较放大，再反馈给ＰＷＭ比较器
的ＬＥＤ，可同时驱动３２个大功率ＬＥＤ。每个通道也
都能以高达１０００：１的调光比进行独立调光。调频引
脚能使用户在２００ｋＨｚ～２ＭＨｚ的范围对频率进行调
节。电流检测引脚在较宽范围内可以设定检测门限。
具有ＬＥＤ开路保护功能，停机时静态电流小于
ｌ０ Ａ，运行时，静态电流为２２ｍＡ，功耗很低。其
采用耐热增强型３８引脚ＱＮＦ封装，非常适合与大
Ａ２的反向输入端。其内部的斜率发生器及振荡器与
电流检测放大器的放大信号叠加输入到Ａ２的正向
端。用于与Ａ２比较器及ＬＥＤ检测端的过电压检测
一
起作用以关闭通道，控制开关机。当过电压检测、
ＰＷＭ、Ａ２比较器经与门，输出一信号与振荡器产
生的信号共同触发ＳＲ锁存器、控制三极管开关，
进而控制外围白光ＬＥＤ工作。
９２ 照明工程学报 ２０１０年ｌ０月
本设计外接一过热保护电路，其中ＲＩＯ为ＰＴＣ
电阻。当温度上升，Ｒ１０电阻急剧增大，使三极管
ＫＴ２的集电极电流减小，控制集电极电流减小，从
肖基特二极管流过的电流会在输入电容器Ｃ１０、Ｃ１ １
上产生一个较大的脉冲电流，感值、容值较低的
Ｌ１、ＣＩＯ，Ｌ２、Ｃ１１构成滤波电路，满足纹波电流
的要求，消除脉冲电流的影响。Ｃ１３为输出滤波电
容，其取值取决于负载大小及电路形式。图５为驱
动电路原理图：
而抑制Ｖ 端电压以达到对ＬＥＤ负载进行过热保护
的功能。
Ｄ 。、Ｄ ：为肖基特二极管，当ＳＷ端关断时从
图５驱动电路原理图
模型如图６所示，输入电压为１６Ｖ，ＳＨＤＮ端外接
５ 电路仿真
将驱动电路利用ＬＴｓｐｉｃｅＩＶ进行仿真，建立仿真
１．６Ｖ电压，驱动芯片进入工作阶段。ＳＷ端口模拟
一
条支路的情况，ＬＥＤ端、ＣＡＰ端分别对ＬＥＤ进行
检测。ＲＥＦ、Ｖ ｊ端为功能保护端。
图６驱动模块仿真图
仿真结果显示在ＳＨＤＮ端输入大于１．５Ｖ电压
后，ＬＥＤ能够在０．３ｓ内快速进入稳定工作状态。滤
波电容、电感的充放电压电流平稳，设置匹配。充
放电时间快速，时间几乎一致。
第２１卷第５期 王志斌等：基于ＬＴ３４７６水冷散热人体感应式ＬＥＤ照明系统的设计 ９３
．
０．０３４８ｆＡ
．
０．０３５４ｆＡ
．
０．０３６０ｆＡ
．
０．０３６６ｒＡ
．
０．Ｏ３７２ｆＡ
．
Ｏ Ｏ３７８ｆＡ
．
０．Ｏ３８４ｆＡ
．
０．０３９０ｆＡ
．
００３９６ｆＡ
．
０．Ｏ４Ｏ２ｆＡ
．
Ｏ．Ｏ４Ｏ８ｆＡ
．
Ｏ．ＯｆＡ
．
０．０４１４ｆＡ
．
．
Ｏ．ＯＶ
／
０ ０４２０ｆＡ
０．０ｓ ０．２ｓ ０．４ｓ ０．６ｓ ０ ８ｓ １ ０ｓ
图１０ 电源端提供稳定电压
图７ ＬＥＤ两端电压及电流仿真
５５Ｏｕ
２ ４４２７５ｐＡ
５００ｐ
２ ４４２７０ｐＡ
４５０ｐ
２ ４４２６５ｐＡ
４００ｐ
２．４４２６０ｐＡ
３５０ｐ
２．４４２５５ｐＡ
３００ｐ
２ ４４２５０ｐＡ
２５０１．１．
２．４４２４５ｐＡ
２００ｐ
２ ４４２４０ｐＡ
１５０ｐ
２．４４２３５ｐＡ
６ ６ ６ ６ ６ ６ ５ ５ ５ ５ ５ ５
１００ｐ
２．４４２３０ｐＡ
５０ｐ
２．４４２２５ｐＡ
０ｇ
２ ４４２２０ｐＡ
图８ ＬＥＤ电流与Ｃ２电流比较
图１１保护端电压电流
Ｖ（ｎ０１０） Ｖ（ｎ０１２）ｌ（ｍ １）
５０ｕＡ
４５１．ｔＡ
４０１ａＡ
３５１ａＡ
３０１１Ａ
２５ｔ．ｔＡ
２０ｐＡ
Ｉ５ｕＡ
１０ｐＡ
５１ａＡ
０ｐＡ
图９驱动端ＳＷ电流电压仿真
图ｌ２误差放大输入端仿真
ＶＣＣ
图１３ 整流滤波稳压电路
９４ 照明工程学报 ２０１０年ｌＯ月
图ｌ４整体电路拓扑结构
ｎ，Ｙｏｕｎｇ—
［４］
Ｈｙｕｎ—Ｈｏ Ｋｉｍ，Ｓａｎｇ—Ｈｙｕｎ Ｃｈｏｉ，Ｓａｎｇ—Ｈｙｕｎ Ｓｈｉ
６主电路的设计
主电路为典型的桥式整流电路配以两层滤波的
转换结构，将日常用２２０Ｖ交流电压转化为设计所
需直流电压，模拟集成稳压器ＭＣ７９１８能将输出电
压稳定至１８Ｖ左右，电流１Ａ左右，便于触发电路
和驱动电路的设计。其中开关处带有小功率ＬＥＤ照
明指示，以便在黑暗中方便找到开关。
Ｋｉ Ｌｅｅ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，４４５—４５４．Ｔｈｅｒｍａｌ
ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｅ ａｔｔａｃｈ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ
ＰＫＧ『Ｊ］，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ．２００８．
ｌａｉｎｉｓ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，６４７—６５４．ＬＥＤ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ
［５］
Ｌ．Ｓｖｉ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｓｉｔｕ［Ｊ］，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ．２００８．
［６］
Ｌｉｎｅａｒ白光驱动Ｉｃ产品手册．
［７］
白林，梁宏宝．大功率白光ＬＥＤ路灯发光板设计与驱
动技术［Ｊ］．发光学报，２００９， （０４）：４８７～４９４．
ｂａｉｌｉｎ，ｌｉｎｈｏｎｇｂａｏ．Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｒｉｖｉｎｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｂｏａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ
７ 总结
本文设计的基于ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６芯片的ＬＥＤ照明
Ｂｒｉｇｈｔ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｓｔｒｅｅｔ Ｌａｍｐ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，２００９，（０４）：４８７～４９４．
王静，吴福根．改善大功率ＬＥＤ散热的关键问题［Ｊ］．
［８］
电子设计工程，２００９，（Ｏ４）．ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ，ｗｕ Ｆｕ—ｇｅｎ
Ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｂｉｇｈｔｎｅｓｓ ＬＥＤ
系统。可依据实际情况驱动１～３２只１０Ｗ大功率白
光ＬＥＤ，并采用基于热释红外线传感器作为人体检
测触发电路。能够做到人在灯亮人去灯灭，节能环
保。在设计中充分解决了大功率ＬＥＤ工作时的散热
问题，经实验证明该系统热量散失快速，并且温度
［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，（Ｏ４）．
［９］ 李炳乾．１Ｗ级大功率白光ＬＥＤ发光效率研究［Ｊ］．
半导体光电，２００５，
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ １ Ｗ
（０４）．Ｌｉｂｉｎｇｑｉａｎ．Ｌｕｍｅｎ
—ｌｅｖｅｌ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ，
基本恒定在２０％以下，增加了大功率白光ＬＥＤ的使
用寿命。
参考文献
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［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８．８．
Ｓｅｍｉｃ０ｎｄｕｃｔｏｒ ０ｐｔ０ｅ１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ２００５， （０４）．
Ｙ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ Ｅ Ｆ．Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ
［１Ｏ］
Ｘｉ
ＧａＮ ＵＶｌｉｇｈｔ—ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｏｄｅ ｆｏｒｗａｒｄ
ｖｏｌｔａｇｅ［Ｊ］． ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００４，１４（３）：７０８～７１３．
［１１］聂蓉，陈益民，骆德汉，黄杰．白光ＬＥＤ应用于室内
［２］周志敏，周纪海，纪爱华．ＬＥＤ驱动电路设计实例
［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００８．９．
［３］国家半导体照明产业联盟．中国半导体照明产业发展
年鉴（２００８）［Ｍ］．北京：科学出版社，２００８．
照明的分析与探讨［Ｊ］．灯与照明，２００９， （０１）．
Ｎｉｅ Ｒｏｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｙｉｍｉｎ，Ｌｕｏ Ｄｅｈａｎ，Ｈｕａｎｇ Ｊｉｅ．
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ
Ｉｎｄｏｏｒ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ［Ｊ］Ｌｉｇｈｔ＆Ｌｉｇｈｔｉｎｇ，２００９，（Ｏ１）．
2024年7月18日发(作者：邴初雪)
２０１０年１Ｏ月
照明工程学报
０ｃｔ． ２０１０
第２１卷第５期
ＺＨＡ０ＭＩＮＧ Ｇ０ＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡ０
Ｖ０１．２１ Ｎ０．５
基于ＬＴ３４７６水冷散热人体感应式ＬＥＤ
照明系统的设计
王志斌谷越
（燕山大学电气工程学院，秦皇岛０６６００４）
摘要：本文设计了一款基于ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６芯片的智能ＬＥＤ照明系统。该系统可驱动ｌ～３２只大功率白光ＬＥＤ，
并根据节能的要求，给出了基于热释红外线传感器人体检测触发电路。在设计中充分考虑了大功率ＬＥＤ工作时的
散热问题，提出了可使热量快速散失，抑制温度在ＬＥＤ正常工作结温１２５ ｏＣ以下，增加大功率白光ＬＥＤ的寿命的
散热冷却器。实验和仿真证明，该系统安全可靠，经济节能，使用方便。
关键词：大功率；白光ＬＥＤ；散热冷却器；人体感应
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＴ３４７６
Ｗａｎｇ Ｚｈｉｂｉｎ ＧＵ ＹＵｅ
（Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６ ｃｈｉｐ—ｂａｓｅｄ ｓｍａｒｔ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｄｒｉｖｅ １～
３２ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ，ａｎｄ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ，ｇｉｖｅ ａ ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ—ｂａｓｅｄ！ｈｕｍａｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｒｉｇｇｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｆｕｌｌｙ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，Ｓｉｎｃｅ ｒａｐｉｄ
ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｌｉｆｅ ｓｐａｎ ｏｆ ＬＥＤ ｈｅａｔ ｒａｄｉａｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ．
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ，ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｕｓｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ；ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｏｌｅｒ；ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ
１ 引言
ＬＥＤ的市场应用空间巨大。
白光ＬＥＤ具有光指向性好、寿命长、体积小、
本文设计了一款采用智能传感器作为开关电路
低功耗、低电压工作、响应时间短、无红外辐射等
的照明系统，能够感应人体红外线波长实现人在灯
优点，业界专家根据现有ＬＥＤ在理论和实践上所表 亮，人走灯灭，而且响应时间快，判断准确。应用
现出的优异性能和突出的节能环保特点，预测在２ｌ
效率高达９６％的ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６为核心的驱动电路能
世纪上半叶以ＬＥＤ为代表的新型光源将成为光源的
在提供ＬＥＤ正常工作的电压、电流同时，将功率损
主流产品 。我国对白光ＬＥＤ需求巨大，预计２０１０
失降至０．１ｗ，并且可以根据用户需要调节驱动电
年我国的照明用电为３５００亿千瓦时 。受能源紧张
路以达到驱动更多或是减少ＬＥＤ的数量。该系统特
和环保要求的影响，我国必须走节电道路， 别适合用于洗漱台、卫生间等的照明。
国家自然科学基金（６０８７ ７０４７），河北省自然科学基金（Ｆ２００８０００８７３）资助项目
照明工程学报 ２０１０年１０月
的同时不会引起明显的温度变化。散热器的结构如
２ 基于ＭＣＣ（Ｍｉｓｉｃｏ Ｃｈａｎｎｅｌ
图１图２所示。
以硅片为散热
Ｃｏｏｌｅｒ）理论的散热冷却器设
计
长期以来，大功率白光ＬＥＤ的散热一直是困扰
人们的一个重要问题，过多的热量不能及时外排成
为影响大功率ＬＥＤ寿命的主要原因之一 。本设计
使用的１０Ｗ大功率白光ＬＥＤ工作电压在１４Ｖ～１７Ｖ
之间，工作电流７００ｍＡ的ＬＥＤ散热良好时工作
３０００小时，光衰减小于２％，１００００小时后衰减６％
以内，寿命可达５００００小时左右，但由于温度对其
影响严重，如果散热不当，将产生严重影响，缩减
其使用寿命达７０％～８０％。
ＬＥＤ是以电子在能带间跃迁产生光的，光谱中
不含有红外部分，所以ＬＥＤ的热量不能依靠辐射散
发。目前ＬＥＤ的发光效率只达到了ｌ５％一２５％，其
余的能量均转换为热能，电流通过ＬＥＤ时，ＰＮ结
温度会升高，用ｔ，表示。
ｔ』＝ＲｌＪＰＤ＋ｔ
式中，Ｒ ，为ＰＮ结与外界环境的热阻，Ｐ。为
ＬＥＤ耗散功率，ｔ 为外界温度。
如果芯片结温不能及时散出，会加速ＬＥＤ老
化，这种老化速度是指数形式的。一般１２５℃为一
个界限，而一旦ＬＥＤ温度超过１５０ｏＣ，则会造成
ＬＥＤ的永久失效。据研究，ＬＥＤ在３０℃下的工作寿
命比７０℃下工作时间长２０倍。
１９８１年，美国学者Ｔｕｅｋｅｒｍａｎ和Ｐｅａｓｅ基于微
电子机械系统技术提出了微通道制冷器（Ｍｉｓｉｃｏ
Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｏｏｌｅｒ）散热方案 ，受此启发，本文设计
了一种结构相对简单的散热器，主要以铜、铝材料
构成。铜基板导热率大，因此其紧贴ＬＥＤ的基板，
ＬＥＤ工作时产生的热量就能尽快被铜基板传导出
去；铝材料散热快，因此将铝制厚板内部制成网络
结构，即微型细小的通道网络。冷却剂则选用日常
用的自来水，安装时将散热器安装在洗漱室与水管
相连。这样，洗手、洗脸时水在管道中流动，流过
ＬＥＤ基板下的散热器，将产生的热量带走，同时水
的温度较低，也能使ＬＥＤ工作在一个较低的温度环
境中，增加其使用寿命。散热器不必做的过大，因
为水的比热容较大，而且一般水龙头的流速均在
０．１５Ｌ／ｓ以上，所以，ＬＥＤ产生的热量在被快速带走
铜基散热
基板散热通道
散热通道
图１散热器结构
图２散热器安装结构
３ 人体检测电路的设计
为了实现智能、节能的目的，本系统的检测器
件采用对人体温探测精度很高的热释电敏感元件
（ＰＩＲ），它是一种被动式传感器，只要有人在区域
内活动它就能检测到红外线。传感器的作用距离为
几米至几十米，型号不同作用距离不同，热释电红
外传感器检测到人的活动时输出端就会输出高电平。
本设计采用德国海德曼公司的热释电元件ＬＨＩ７７８，
其特点在于只对外界辐射而引起的自身温变时才产
生一个相应的电信号。当温度变化趋于稳定后，无
信号输出，为了使检测器只对人体最敏感，而对太
阳、其他光源等具有抗干扰能力，需要采用滤光片
作窗口的滤波传感器。滤光片是硅基片上镀了多层
膜制成的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射最
长满足维斯位移定律。
Ａ Ｔ＝２８９８（ ｍ・ｋ）
人体辐射最大波长为Ａ ＝２８９８／３０９＝９．４
（ｐ，ｍ）即，人体辐射在９．４ ｍ时最强。因此红外滤
波片选取了７．５—１４／ａ，ｍ波段。能有效的选取人体的
红外辐射。ＬＨＩ７７８结构如图３所示。
将性价比较高的ＬＨＩ７７８与专用的热释红外传
感器驱动电路ＣＳ９８０３ＧＰ组合构造一款性能稳定便
于控制的触发电路。ＣＳ９８０３ＧＰ采用ＣＭＯＳ工艺，
工作电压４．０～５．５Ｖ在同类产品中性能优良，且价
第２１卷第５期 王志斌等：基于ＬＴ３４７６水冷散热人体感应式ＬＥＤ照明系统的设计 ９ｌ
设计原理图。
ＬＨＩ７７８感应到人体所发出的红外波后，发出持
续信号，信号经过ＣＳ９８０３ＧＰ内部二级放大滤波后，
再经其内置电压比较器比较，以判断是否正确触发。
触发则输出一个高电平。此时，芯片的计时器开始
计时，并进入延时状态。这种结构可充分减少误判
断。ＲＧ为外接光敏电阻，其白天受光照阻值很低，
因此产生一较大电信号经非门反向成为低电平。夜
Ｌ丑工７ 宦
间则相反。内置的输出控制器相当于一个与门的功
图３ ＬＨ１７７８结构图
能。只有当ＲＧ产生小信号经非门反向成为高电平、
计时输出及过零检测同为高电平时，芯片才会输出
正脉冲，控制下一步动作。如图４所示，Ｒ２、Ｃ３决
定时钟频率，ＲＰ２、Ｒ３、Ｃ４决定定时器的周期。
格便宜。其内置两级运放，噪声抑制电路，增益可
调。内置３．１Ｖ稳压输出用以驱动ＰＩＲ。控制时间可
调，有两种输出形式。工作稳定可靠，结构紧凑外
围元件少，功耗低。图４是人体检测触发电路的
图４人体检测触发电路
功率ＬＥＤ配套使用。
４驱动电路的设计
关于１０Ｗ的白光ＬＥＤ驱动电路，本设计选用
凌力尔特公司新近推出的一款大功率ＬＥＤ驱动器
ＬＴ３４７６。ＬＴ３４７６为ＤＣ—ＤＣ式转换芯片，有一个２．８
～
ＬＴ３４７６内置４个运放，两个三极管开关，一个
斜率发生器，一个可提供２００ｋＨｚ～２ＭＨｚ的振荡器，
ＳＲ锁存器等，配置灵活，功能强大。ＣＳ９８０３ＧＰ产
生大于１．５Ｖ的驱动电压加到ＳＨＤＮ端口，启动
ＬＴ３４７６。其特有的大电流检测结构将检测流经ＬＥＤ
１６Ｖ的宽电压选择范围，可依个人需要灵活设置
阵列的电流，将其信号输送到内置误差放大器Ａ１
的正向输入端，与电流检测误差放大器的反向输入
外围设备。其拥有４个１．５Ａ，３６Ｖ的内部ＮＰＮ开关
的独立驱动器通道，每个通道都能驱动８个串联１Ａ 端所检测的信号比较放大，再反馈给ＰＷＭ比较器
的ＬＥＤ，可同时驱动３２个大功率ＬＥＤ。每个通道也
都能以高达１０００：１的调光比进行独立调光。调频引
脚能使用户在２００ｋＨｚ～２ＭＨｚ的范围对频率进行调
节。电流检测引脚在较宽范围内可以设定检测门限。
具有ＬＥＤ开路保护功能，停机时静态电流小于
ｌ０ Ａ，运行时，静态电流为２２ｍＡ，功耗很低。其
采用耐热增强型３８引脚ＱＮＦ封装，非常适合与大
Ａ２的反向输入端。其内部的斜率发生器及振荡器与
电流检测放大器的放大信号叠加输入到Ａ２的正向
端。用于与Ａ２比较器及ＬＥＤ检测端的过电压检测
一
起作用以关闭通道，控制开关机。当过电压检测、
ＰＷＭ、Ａ２比较器经与门，输出一信号与振荡器产
生的信号共同触发ＳＲ锁存器、控制三极管开关，
进而控制外围白光ＬＥＤ工作。
９２ 照明工程学报 ２０１０年ｌ０月
本设计外接一过热保护电路，其中ＲＩＯ为ＰＴＣ
电阻。当温度上升，Ｒ１０电阻急剧增大，使三极管
ＫＴ２的集电极电流减小，控制集电极电流减小，从
肖基特二极管流过的电流会在输入电容器Ｃ１０、Ｃ１ １
上产生一个较大的脉冲电流，感值、容值较低的
Ｌ１、ＣＩＯ，Ｌ２、Ｃ１１构成滤波电路，满足纹波电流
的要求，消除脉冲电流的影响。Ｃ１３为输出滤波电
容，其取值取决于负载大小及电路形式。图５为驱
动电路原理图：
而抑制Ｖ 端电压以达到对ＬＥＤ负载进行过热保护
的功能。
Ｄ 。、Ｄ ：为肖基特二极管，当ＳＷ端关断时从
图５驱动电路原理图
模型如图６所示，输入电压为１６Ｖ，ＳＨＤＮ端外接
５ 电路仿真
将驱动电路利用ＬＴｓｐｉｃｅＩＶ进行仿真，建立仿真
１．６Ｖ电压，驱动芯片进入工作阶段。ＳＷ端口模拟
一
条支路的情况，ＬＥＤ端、ＣＡＰ端分别对ＬＥＤ进行
检测。ＲＥＦ、Ｖ ｊ端为功能保护端。
图６驱动模块仿真图
仿真结果显示在ＳＨＤＮ端输入大于１．５Ｖ电压
后，ＬＥＤ能够在０．３ｓ内快速进入稳定工作状态。滤
波电容、电感的充放电压电流平稳，设置匹配。充
放电时间快速，时间几乎一致。
第２１卷第５期 王志斌等：基于ＬＴ３４７６水冷散热人体感应式ＬＥＤ照明系统的设计 ９３
．
０．０３４８ｆＡ
．
０．０３５４ｆＡ
．
０．０３６０ｆＡ
．
０．０３６６ｒＡ
．
０．Ｏ３７２ｆＡ
．
Ｏ Ｏ３７８ｆＡ
．
０．Ｏ３８４ｆＡ
．
０．０３９０ｆＡ
．
００３９６ｆＡ
．
０．Ｏ４Ｏ２ｆＡ
．
Ｏ．Ｏ４Ｏ８ｆＡ
．
Ｏ．ＯｆＡ
．
０．０４１４ｆＡ
．
．
Ｏ．ＯＶ
／
０ ０４２０ｆＡ
０．０ｓ ０．２ｓ ０．４ｓ ０．６ｓ ０ ８ｓ １ ０ｓ
图１０ 电源端提供稳定电压
图７ ＬＥＤ两端电压及电流仿真
５５Ｏｕ
２ ４４２７５ｐＡ
５００ｐ
２ ４４２７０ｐＡ
４５０ｐ
２ ４４２６５ｐＡ
４００ｐ
２．４４２６０ｐＡ
３５０ｐ
２．４４２５５ｐＡ
３００ｐ
２ ４４２５０ｐＡ
２５０１．１．
２．４４２４５ｐＡ
２００ｐ
２ ４４２４０ｐＡ
１５０ｐ
２．４４２３５ｐＡ
６ ６ ６ ６ ６ ６ ５ ５ ５ ５ ５ ５
１００ｐ
２．４４２３０ｐＡ
５０ｐ
２．４４２２５ｐＡ
０ｇ
２ ４４２２０ｐＡ
图８ ＬＥＤ电流与Ｃ２电流比较
图１１保护端电压电流
Ｖ（ｎ０１０） Ｖ（ｎ０１２）ｌ（ｍ １）
５０ｕＡ
４５１．ｔＡ
４０１ａＡ
３５１ａＡ
３０１１Ａ
２５ｔ．ｔＡ
２０ｐＡ
Ｉ５ｕＡ
１０ｐＡ
５１ａＡ
０ｐＡ
图９驱动端ＳＷ电流电压仿真
图ｌ２误差放大输入端仿真
ＶＣＣ
图１３ 整流滤波稳压电路
９４ 照明工程学报 ２０１０年ｌＯ月
图ｌ４整体电路拓扑结构
ｎ，Ｙｏｕｎｇ—
［４］
Ｈｙｕｎ—Ｈｏ Ｋｉｍ，Ｓａｎｇ—Ｈｙｕｎ Ｃｈｏｉ，Ｓａｎｇ—Ｈｙｕｎ Ｓｈｉ
６主电路的设计
主电路为典型的桥式整流电路配以两层滤波的
转换结构，将日常用２２０Ｖ交流电压转化为设计所
需直流电压，模拟集成稳压器ＭＣ７９１８能将输出电
压稳定至１８Ｖ左右，电流１Ａ左右，便于触发电路
和驱动电路的设计。其中开关处带有小功率ＬＥＤ照
明指示，以便在黑暗中方便找到开关。
Ｋｉ Ｌｅｅ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，４４５—４５４．Ｔｈｅｒｍａｌ
ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｅ ａｔｔａｃｈ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ
ＰＫＧ『Ｊ］，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ．２００８．
ｌａｉｎｉｓ，Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，６４７—６５４．ＬＥＤ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ
［５］
Ｌ．Ｓｖｉ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｓｉｔｕ［Ｊ］，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ．２００８．
［６］
Ｌｉｎｅａｒ白光驱动Ｉｃ产品手册．
［７］
白林，梁宏宝．大功率白光ＬＥＤ路灯发光板设计与驱
动技术［Ｊ］．发光学报，２００９， （０４）：４８７～４９４．
ｂａｉｌｉｎ，ｌｉｎｈｏｎｇｂａｏ．Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｒｉｖｉｎｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｂｏａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ
７ 总结
本文设计的基于ｌｉｎｅａｒ ＬＴ３４７６芯片的ＬＥＤ照明
Ｂｒｉｇｈｔ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ Ｓｔｒｅｅｔ Ｌａｍｐ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，２００９，（０４）：４８７～４９４．
王静，吴福根．改善大功率ＬＥＤ散热的关键问题［Ｊ］．
［８］
电子设计工程，２００９，（Ｏ４）．ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ，ｗｕ Ｆｕ—ｇｅｎ
Ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｂｉｇｈｔｎｅｓｓ ＬＥＤ
系统。可依据实际情况驱动１～３２只１０Ｗ大功率白
光ＬＥＤ，并采用基于热释红外线传感器作为人体检
测触发电路。能够做到人在灯亮人去灯灭，节能环
保。在设计中充分解决了大功率ＬＥＤ工作时的散热
问题，经实验证明该系统热量散失快速，并且温度
［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，（Ｏ４）．
［９］ 李炳乾．１Ｗ级大功率白光ＬＥＤ发光效率研究［Ｊ］．
半导体光电，２００５，
Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ １ Ｗ
（０４）．Ｌｉｂｉｎｇｑｉａｎ．Ｌｕｍｅｎ
—ｌｅｖｅｌ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｗｈｉｔｅ ＬＥＤ，
基本恒定在２０％以下，增加了大功率白光ＬＥＤ的使
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