LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南完全版

1、LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南完全版 2010-09-19 15:39:22 文章來源：OFweek電子工程網(wǎng) 我來說兩句 (1) ·· 導(dǎo)讀: 本文詳細(xì)討論LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六個(gè)設(shè)計(jì)步驟：（1）確定照明需求；（2）確定設(shè)計(jì)目標(biāo)估計(jì)光學(xué)；（3）熱和電氣系統(tǒng)的效率；（4）計(jì)算需要的LED數(shù)量. o 關(guān)鍵字 o LED照明  熒光燈  LED驅(qū)動(dòng)器  散熱片   · 本文詳細(xì)討論LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六個(gè)設(shè)計(jì)步驟：（1）確定照明需求；（2）確定設(shè)計(jì)目標(biāo)估計(jì)光學(xué)；（3）熱和電氣系統(tǒng)的效率；（4）計(jì)算

2、需要的LED數(shù)量；（5）對所有的設(shè)計(jì)可能都予以考慮，從中選擇最佳設(shè)計(jì)；（6）完成最后步驟。雖然本文以一個(gè)室內(nèi)照明設(shè)計(jì)為例，但所述的設(shè)計(jì)過程可以用于任何LED照明設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)在的照明應(yīng)用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用壽命、色溫以及白點(diǎn)穩(wěn)定性。因此，絕大多數(shù)普通照明應(yīng)用設(shè)計(jì)中都采用這類LED，包括路面、停車區(qū)以及室內(nèi)方向照明。在這些應(yīng)用中，由于無需維護(hù)（因?yàn)長ED的使用壽命比傳統(tǒng)燈泡的要長得多）且能耗降低，所以基于LED的照明降低了總體擁有成本（TCO）。全世界有200億以上的燈具使用白熾、鹵素或熒光燈。其中許多燈具用作方向照明，但都是采用在所有方向發(fā)光的燈。美國能源部（DOE）稱，在新

3、住宅建筑里，嵌頂燈是安裝最普遍的照明燈。此外，DOE報(bào)告稱，采用非反射燈的嵌頂燈一般效率只有50%，就是說，這類燈所產(chǎn)生光的一半都浪費(fèi)到燈具內(nèi)了。相反，照明級LED具有至少50，000小時(shí)的高效、方向性照明。利用照明級LED的所有優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的室內(nèi)照明有以下優(yōu)點(diǎn)：1 功效超過所有白熾燈和鹵素?zé)艟? 能與甚至最好的CFL（緊湊熒光）嵌頂燈的性能相媲美3 與這些燈具相比，需要維修前的壽命要長5到50倍4 降低光對環(huán)境的影響：不含汞、電站污染小、垃圾處理費(fèi)用低。照明還是燈？在普通照明中設(shè)計(jì)LED需要在兩種方法間作出選擇，是設(shè)計(jì)基于LED的完整的照明，還是設(shè)計(jì)安裝到已有燈具上的基于LED的燈。一般來說，一

4、個(gè)完整的照明設(shè)計(jì)，其光學(xué)、熱和電氣性能要好于式樣翻新的燈，因?yàn)楝F(xiàn)有燈具不會(huì)約束設(shè)計(jì)。對目標(biāo)應(yīng)用，到底是新照明的總體系統(tǒng)性能重要還是式樣翻新的燈的方便性更重要，這要由設(shè)計(jì)師來決定。針對已有照明的設(shè)計(jì)方法如果目標(biāo)應(yīng)用采用構(gòu)造新型LED照明更好，那么就設(shè)計(jì)照明的光輸出，使其相當(dāng)于或者超過現(xiàn)有照明匹配具有多種優(yōu)點(diǎn)。首先，現(xiàn)有設(shè)計(jì)已經(jīng)針對目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以在圍繞有關(guān)光輸出、成本和工作環(huán)境而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)提供指導(dǎo)。其次，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的外形尺寸已經(jīng)得到認(rèn)可。如果外形尺寸相同，終端用戶轉(zhuǎn)換成LED照明更容易一些。遺憾的是，有些LED照明制造商錯(cuò)誤報(bào)告或者夸大了LED照明的效率和使用壽命特性。在CFL替換燈泡

5、的早期的數(shù)年，照明業(yè)也遇到了類似問題。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，以及早期產(chǎn)品質(zhì)量的巨大差異將CFL技術(shù)的采用推遲了很多年。美國能源部意識到了早期LED照明也可能存在相同的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量問題，并且這些問題可能以類似的方式延遲了LED照明的使用。作為應(yīng)對措施，美國能源部發(fā)起了“DOE SSL商用產(chǎn)品測試計(jì)劃（CPTP）”，對LED照明制造商聲稱的指標(biāo)進(jìn)行測試。該計(jì)劃以匿名方式測試LED照明的下列4個(gè)特性：照明光輸出（流明）、照明效率（流明每瓦）、相關(guān)色溫（開氏度）、顯色指數(shù)。DOE的CPTP將關(guān)注點(diǎn)放在了照明可用光輸出上，而不僅僅是照明的光輸出上，這為LED照明設(shè)計(jì)設(shè)定了一個(gè)很好的先例。燈的概念可能過時(shí)了LED

6、光的使用壽命很長，這就可能使燈的概念變得過時(shí)了。照明級LED不會(huì)像電燈泡那樣出現(xiàn)災(zāi)難性失效。相反，照明級LED在逐漸退化到其最初光輸出通量（也稱作流明維持）的70%之前，具有至少5萬小時(shí)的使用壽命，也就是說連續(xù)點(diǎn)亮5.7年！不過，在大多數(shù)照明環(huán)境下，燈有規(guī)律地熄滅。這一熄滅期足足可以將LED的使用壽命延長到30年以上 ，如曲線1所示。過了這么多年之后，LED照明將“燒盡”，而那時(shí)LED照明技術(shù)下的照明將更亮、效率更高，與老式LED照明相比很可能要節(jié)省TCO。不要忘記： LED照明的這5萬小時(shí)使用壽命避免了多少對環(huán)境的影響。送往填埋場的白熾燈泡至少要少25倍，并且能源消耗量要少5倍。（美國約50

7、%的能源來自燃煤，而燃煤會(huì)給空氣中釋放汞）。或者，送往處理的含汞C燈泡至少減少5倍。如前面提到的，不用維護(hù)是LED照明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)LED照明，使其使用壽命最長并節(jié)省TCO是一個(gè)應(yīng)對LED照明原始成本高這一障礙的極佳策略。表1列出了設(shè)計(jì)大功率LED照明的一般步驟。本文的其余部分依次討論這些設(shè)計(jì)步驟。為了更好地說明這些設(shè)計(jì)概念，本文給出了一個(gè)LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計(jì)算例子。不僅對本例，對所有類型照明，本設(shè)計(jì)步驟都可重復(fù)使用。·  步驟一：確定照明需求LED照明必須滿足或超過目標(biāo)應(yīng)用的照明要求。因此，在建立設(shè)計(jì)目標(biāo)之前就必須確定照明要求。對于某些應(yīng)用，

8、存在現(xiàn)成的照明標(biāo)準(zhǔn)，可以直接確定要求。對其它應(yīng)用，確定現(xiàn)有照明的特性是一個(gè)好方法。表2列出了確定現(xiàn)有照明特性時(shí)要考慮的主要特性。光輸出和功率特性始終很關(guān)鍵，而根據(jù)應(yīng)用的不同，其它特性可能重要，也可能不重要。所有照明公司都可以提供數(shù)據(jù)文件或文檔，詳細(xì)給出其各種燈具的關(guān)鍵特性?！皾撛陉P(guān)鍵”的特性要更主觀一些，或者在制造商文檔里沒有列出。在這種情況下，由設(shè)計(jì)師確定現(xiàn)有照明的特性。圖1說明了例中CFL嵌頂燈的關(guān)鍵特性。表3給出了現(xiàn)有照明的全部特性。步驟二：確定設(shè)計(jì)目標(biāo)照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設(shè)計(jì)目標(biāo)了。與定義照明要求時(shí)一樣，關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)與光輸出和功耗有關(guān)。確保包含了對目標(biāo)應(yīng)用也可能

9、重要的其它設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括工作環(huán)境、材料清單（BOM）成本和使用壽命。表4以LED照明為例列出的設(shè)計(jì)目標(biāo)。·  步驟三：估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率設(shè)計(jì)過程中最重要的參數(shù)之一是，需要多少個(gè)LED才能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。其他的設(shè)計(jì)決策都是圍繞LED數(shù)量展開，因?yàn)長ED數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。查看LED數(shù)據(jù)手冊列出的典型光通量，用該數(shù)除設(shè)計(jì)目標(biāo)流明，這種方法很誘人。然而，此方法太簡化了，依此設(shè)計(jì)將滿足不了應(yīng)用的照明要求。LED的光通量依賴于多種因素，包括驅(qū)動(dòng)電流和結(jié)溫。要準(zhǔn)確計(jì)算所需要的數(shù)量，必須首先估計(jì)光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的無效率。以前原型機(jī)設(shè)計(jì)的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，或者本

10、文提供的例子數(shù)量，都可以作為指南來估計(jì)這些損失。本節(jié)對估計(jì)這些系統(tǒng)損失的過程進(jìn)行簡述。光學(xué)系統(tǒng)效率通過考察光損失估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的功效。要估計(jì)的兩種主要的光損失源為：1.次級光學(xué)器件次級光學(xué)器件是不屬于LED本身的所有光學(xué)系統(tǒng)，如LED上的透鏡或擴(kuò)散片。與次級光學(xué)器件相關(guān)的損失根據(jù)使用的特定元件的不同而變化。通過各次級光元件的典型光學(xué)效率在85%和90%之間。2燈具內(nèi)的光損失當(dāng)光線在到達(dá)目標(biāo)物之前，打到燈具罩上時(shí)，就產(chǎn)生了燈具光損失。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回?zé)艟摺９潭ㄎ锏男视烧彰鞯牟季?、燈具殼的形狀及燈具罩的材料決定。如圖2所示，LED光具有方向性，可達(dá)到的效率比全方向照明可能達(dá)到的要高

11、得多。對示例中的照明，如果照明需要次級光學(xué)器件，則只存在次級光損失。次級光學(xué)器件的主要目的是改變LED的光輸出圖像。曲線2將Cree XLamp XR-E LED的光束角度與目標(biāo)燈具的光輸出圖像進(jìn)行了比較。裸LED的光束角度與目標(biāo)燈具的非常相似，所以不需要次級光學(xué)器件。因此，對本示例照明，不存在次級光學(xué)器件引起的光損失。要計(jì)算本CFL示例的燈具損失，我們假定燈具反射杯的反射率為85%，60%的光將打到反射杯上。因此，光學(xué)效率為：· 熱損失LED的相對通量輸出隨著結(jié)溫的上升而降低。大多數(shù)LED數(shù)據(jù)手冊都列出了25下的典型光通量值，而大多數(shù)LED應(yīng)用都采用較高的結(jié)溫。當(dāng)結(jié)溫Tj 25時(shí)，

12、光通量肯定比LED數(shù)據(jù)手冊給出的值差。LED數(shù)據(jù)手冊中有一個(gè)曲線，給出了相對光輸出與結(jié)溫的關(guān)系，例如如曲線3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線通過選擇特定相對光輸出或者特定結(jié)溫，給出了其它特性值。對本CFL示例，其照明只是為屋頂通風(fēng)的商業(yè)建筑設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)基于所列的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對光輸出、功效和使用壽命的優(yōu)先次序進(jìn)行了劃分。XLamp XR-E LED額定為5萬小時(shí)后提供平均70%的流明維持率，結(jié)溫保持在80或以下。因此，CFL示例的最高合適結(jié)溫為80。對應(yīng)的最小相對光通量為85%，如曲線3所示。這一85%相對光通量是對本例照明熱功效估計(jì)的值。電氣損失LED驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備將可用功率源（如墻

13、體插座交流電或電池）轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會(huì)達(dá)到100%。驅(qū)動(dòng)器中的電氣損失降低了總體照明效能，因?yàn)榘演斎牍β世速M(fèi)在發(fā)熱上了，而沒有用在發(fā)光上。在開始設(shè)計(jì)LED系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)考慮到電氣損失。典型LED驅(qū)動(dòng)器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅(qū)動(dòng)器的成本要高得多。要注意，驅(qū)動(dòng)器效率可能隨輸出負(fù)載而變化，如曲線4所示。應(yīng)指定驅(qū)動(dòng)器工作在大于50%輸出負(fù)載下，以使效率最大，并使成本最低。曲線4示例的LED驅(qū)動(dòng)器效率與負(fù)載的關(guān)系對于室內(nèi)應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)器效率87%的估值很好。室外用或非常長的使用壽命的驅(qū)動(dòng)器，效率可能要低一些。表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統(tǒng)的效率。&

14、#183; 步驟四：計(jì)算需要的LED數(shù)量實(shí)際需要的流明量所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計(jì)算要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的實(shí)際LED流明數(shù)。對本計(jì)算，只使用光效率（光學(xué)和熱）。電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。示例照明“需要的實(shí)際流明”的計(jì)算如下：所需的實(shí)際流明=目標(biāo)流明/（光學(xué)效率×熱效率）=810/（91%×85%）=1，050lm工作電流另一個(gè)需要確定的是LED的工作電流。工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時(shí)很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會(huì)變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過，增加工作電流同時(shí)也帶來多個(gè)缺點(diǎn)，如表6所示。根據(jù)應(yīng)用的不同，考慮到

15、每個(gè)LED流明輸出值更高，這些缺點(diǎn)也許可以接受。對示例照明，使用壽命和功效是最應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本照明以XLamp XR-E數(shù)據(jù)手冊所列的最小工作電流（350 mA）工作，以最大限度提高LED功效并延長使用壽命。LED數(shù)量工作電流確定之后，就可以計(jì)算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計(jì)算中考慮到了，故LED供應(yīng)商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。對本計(jì)算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數(shù)據(jù)手冊給出的典型數(shù)量。大多數(shù)LED公司根據(jù)最小通量范圍銷售。根據(jù)此最小數(shù)來設(shè)計(jì)，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿足目標(biāo)要求。本例中的照明使用4000K

16、CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時(shí)的最小光通量為67.2 （P2 flux bin）。LED的數(shù)量計(jì)算如下。LED的數(shù)量=實(shí)際所需的流明數(shù)/每個(gè)LED的流明數(shù)1，050 lm / 67.2 lm=16個(gè)LED步驟五：考慮所有設(shè)計(jì)可能并選擇最佳設(shè)計(jì)LED數(shù)計(jì)算好之后，考慮滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的所有設(shè)計(jì)可能。由于每個(gè)LED都是一個(gè)小照明，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設(shè)計(jì)元件一起集成到照明中。設(shè)計(jì)師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件來構(gòu)造原始設(shè)計(jì)，。同時(shí)不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設(shè)計(jì)的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標(biāo)準(zhǔn)列表超出了本

17、文的范圍，不過，下面的表7給出了世界某些地域使用的規(guī)則的例子。本節(jié)的其余部分對本示例LED照明的各系統(tǒng)（光學(xué)、熱和電器）的3個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行說明。對每個(gè)系統(tǒng)，給出了最佳選項(xiàng)的選擇指南。·  光學(xué)系統(tǒng)選項(xiàng)1裸LED和現(xiàn)有燈反射器如前面所述，現(xiàn)有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選則不使用次級光學(xué)器件。本選項(xiàng)可使成本最低，并且系統(tǒng)光損失最小。使用的元件較少，人力也較少，這樣使照明安裝更簡單并且費(fèi)用更低。缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)多照明陰影效應(yīng)，下面將對此予以說明。另外，如果LED的光分布與目標(biāo)照明的光分布差異很大，就不能采用此方法。2帶有次級光學(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器次級光學(xué)器件

18、是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級光學(xué)器件類型為反射（光從某個(gè)表面反射回），或者折射（光通過折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料）。次級光學(xué)器件可以通過購買標(biāo)準(zhǔn)件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設(shè)計(jì)定制。每個(gè)LED使用一個(gè)次級光學(xué)器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準(zhǔn)確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，為點(diǎn)照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，因?yàn)樵黾恿嗽⑶已b配較復(fù)雜，所以照明的成本較高。其次，由于光學(xué)器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級光學(xué)器件會(huì)降低光學(xué)系統(tǒng)的功

19、效。3裸LED，現(xiàn)有的燈反射器和漫射器不是每個(gè)LED都使用一個(gè)光學(xué)器件，整個(gè)LED陣列可以使用一個(gè)漫射器來傳播光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束角度比裸LED能達(dá)到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應(yīng)。選項(xiàng)2的缺點(diǎn)是成本較高，并且光學(xué)系統(tǒng)的功效低。由于漫射器只能發(fā)散光，不能聚集，所以，如果光分布必須窄于裸LED的分布，則不能選擇這種方法。光照度分布、多源陰影效應(yīng)和美觀度通常決定了光學(xué)系統(tǒng)的選擇。如果光輸出必須比裸LED的光輸出窄，就只能選擇選項(xiàng)2。否則，選項(xiàng)1在成本、功效和亮度上要更好。不過，選項(xiàng)1和2都有多源陰影效應(yīng)。另外，用戶查看選項(xiàng)1和2時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)單個(gè)的LED，而使用選項(xiàng)3的用戶只能看見一個(gè)發(fā)散

20、而均勻的照明。多源陰影效應(yīng)多源陰影效應(yīng)是當(dāng)物體位于多個(gè)照明之間時(shí)，表面出現(xiàn)多個(gè)陰影的現(xiàn)象。大多數(shù)人都見過安裝在浴室水池上方的多個(gè)燈泡，會(huì)注意到后面墻壁上有多個(gè)自己的影子，這就是多源陰影效應(yīng)。布局很近的LED將產(chǎn)生多個(gè)相互接近的陰影。在目標(biāo)應(yīng)用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設(shè)計(jì)師要決定，對目標(biāo)應(yīng)用，多陰影效應(yīng)的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應(yīng)而帶來的額外光學(xué)損失是否值得。·  熱系統(tǒng)選項(xiàng)1現(xiàn)有燈具罩最低成本選項(xiàng)是將現(xiàn)有設(shè)計(jì)的燈具罩作為LED照明的罩和散熱片來重新使用。新照明設(shè)計(jì)顯然不能選擇這一選項(xiàng)。另外，多數(shù)現(xiàn)有罩都是鋼制的，熱導(dǎo)性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱

21、。2現(xiàn)成的散熱片另一個(gè)選項(xiàng)是購買現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證，制造商有完整的技術(shù)指標(biāo)。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化。3定制散熱片定制方案為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機(jī)會(huì)，但有幾個(gè)缺點(diǎn)。這一選項(xiàng)需要設(shè)計(jì)師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的第三方來協(xié)助。加工和制造費(fèi)用可能使定制散熱片的單位成本高于現(xiàn)成設(shè)計(jì)的成本。目標(biāo)照明的成本、可用的散熱片開發(fā)時(shí)間以及目標(biāo)最高環(huán)境溫度常常決定了熱系統(tǒng)的選擇。一般來說，在降低成本比最高環(huán)境溫度更重要的情況下，選項(xiàng)2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下， 選項(xiàng)3更優(yōu)（如室外照明或條件不好的室內(nèi)照明）。例子中的LED照明使用熱阻為0

22、.47/W萬的現(xiàn)成散熱片。使用這一散熱片熱阻值，最高環(huán)境溫度可以用下式計(jì)算：Tj=Ta + （ Rth b-a×Ptotal ）+ （ Rth j-sp×PLED ）其中，Tj 為 LED結(jié)溫，Ta 為環(huán)境溫度，Rth b-a為散熱片的熱阻，PLED為單個(gè)LED的功耗，PLED=工作電流×該工作電流下的典型Vf，Ptotal =總功耗=LED數(shù)×PLED，Rth j-sp=LED封裝熱阻。示例中的照明的值為：Tj，MAX=80Rth b-a=0.47/WPLED=0.35 A×3.3 V=1.155 WPtotal=16×1.155 W=18.48 WRth j-sp=8/WTa MAX=Tj MAX-（ Rth b-a×Ptotal ）-（ Rth j-sp×PLED ）= 80- （ 0.47/W×18.48 W ） -（ 8/W×1.155 W ）= 80- 8.6856-9.