LED照明系統(tǒng)設計指南六步驟

LED照明系統(tǒng)設計指南六步驟

本文詳細討論LED照明系統(tǒng)設計的六個設計步驟：(1)確定照明需求；(2)確定設計目標估計光學；(3)熱和電氣系統(tǒng)的效率；(4)計算需要的LED數(shù)量；(5)對所有的設計可能都予以考慮，從中選擇最佳設計；(6)完成最后步驟。雖然本文以一個室內照明設計為例，但所述的設計過程可以用于任何LED照明設計中。

現(xiàn)在的照明應用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用壽命、色溫以及白點穩(wěn)定性。因此，絕大多數(shù)普通照明應用設計中都采用這類LED，包括路面、停車區(qū)以及室內方向照明。在這些應用中，由于無需維護(因為LED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，在新住宅建筑里，嵌頂燈是安裝最普遍的照明燈。此外，DOE報告稱，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)生光的一半都浪費到燈具內了。

相反，照明級LED具有至少50,000小時的高效、方向性照明。利用照明級LED的所有優(yōu)點設計的室內照明有以下優(yōu)點：

1 功效超過所有白熾燈和鹵素燈具
2 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、垃圾處理費用低。

照明還是燈？

在普通照明中設計LED需要在兩種方法間作出選擇，是設計基于LED的完整的照明，還是設計安裝到已有燈具上的基于LED的燈。一般來說，一個完整的照明設計，其光學、熱和電氣性能要好于式樣翻新的燈，因為現(xiàn)有燈具不會約束設計。對目標應用，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，這要由設計師來決定。

針對已有照明的設計方法

如果目標應用采用構造新型LED照明更好，那么就設計照明的光輸出，使其相當于或者超過現(xiàn)有照明匹配具有多種優(yōu)點。首先，現(xiàn)有設計已經(jīng)針對目標應用進行了優(yōu)化，可以在圍繞有關光輸出、成本和工作環(huán)境而確定設計目標時提供指導。其次，現(xiàn)有設計的外形尺寸已經(jīng)得到認可。如果外形尺寸相同，終端用戶轉換成LED照明更容易一些。

遺憾的是，有些LED照明制造商錯誤報告或者夸大了LED照明的效率和使用壽命特性。在CFL替換燈泡的早期的數(shù)年，照明業(yè)也遇到了類似問題。行業(yè)標準的缺乏，以及早期產(chǎn)品質量的巨大差異將CFL技術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準和質量問題，并且這些問題可能以類似的方式延遲了LED照明的使用。作為應對措施，美國能源部發(fā)起了“DOE SSL商用產(chǎn)品測試計劃(CPTP)”，對LED照明制造商聲稱的指標進行測試。該計劃以匿名方式測試LED照明的下列4個特性：照明光輸出(流明)、

照明效率(流明每瓦)、相關色溫(開氏度)、顯色指數(shù)。

DOE的CPTP將關注點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照明設計設定了一個很好的先例。

燈的概念可能過時了

LED光的使用壽命很長，這就可能使燈的概念變得過時了。照明級LED不會像電燈泡那樣出現(xiàn)災難性失效。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5萬小時的使用壽命，也就是說連續(xù)點亮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LED照明技術下的照明將更亮、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%的能源來自燃煤，而燃煤會給空氣中釋放汞)?；蛘撸屯幚淼暮疌燈泡至少減少5倍。

如前面提到的，不用維護是LED照明的一個重要優(yōu)點。因此，設計LED照明，使其使用壽命最長并節(jié)省TCO是一個應對LED照明原始成本高這一障礙的極佳策略。

表1列出了設計大功率LED照明的一般步驟。本文的其余部分依次討論這些設計步驟。為了更好地說明這些設計概念，本文給出了一個LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計算例子。不僅對本例，對所有類型照明，本設計步驟都可重復使用。

步驟一：確定照明需求

LED照明必須滿足或超過目標應用的照明要求。因此，在建立設計目標之前就必須確定照明要求。對于某些應用，存在現(xiàn)成的照明標準，可以直接確定要求。對其它應用，確定現(xiàn)有照明的特性是一個好方法。

表2列出了確定現(xiàn)有照明特性時要考慮的主要特性。光輸出和功率特性始終很關鍵，而根據(jù)應用的不同，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，詳細給出其各種燈具的關鍵特性?！皾撛陉P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，由設計師確定現(xiàn)有照明的特性。

圖1說明了例中CFL嵌頂燈的關鍵特性。

表3給出了現(xiàn)有照明的全部特性。

步驟二：確定設計目標

照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設計目標了。與定義照明要求時一樣，關鍵設計目標與光輸出和功耗有關。確保包含了對目標應用也可能重要的其它設計目標，包括工作環(huán)境、材料清單(BOM)成本和使用壽命。

表4以LED照明為例列出的設計目標。

步驟三：估計光學系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率

設計過程中最重要的參數(shù)之一是，需要多少個LED才能滿足設計目標。其他的設計決策都是圍繞LED數(shù)量展開，因為LED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)除設計目標流明，這種方法很誘人。然而，此方法太簡化了，依此設計將滿足不了應用的照明要求。

LED的光通量依賴于多種因素，包括驅動電流和結溫。要準確計算所需要的數(shù)量，必須首先估計光學、熱和電氣系統(tǒng)的無效率。以前原型機設計的個人經(jīng)驗，或者本文提供的例子數(shù)量，都可以作為指南來估計這些損失。本節(jié)對估計這些系統(tǒng)損失的過程進行簡述。

光學系統(tǒng)效率

通過考察光損失估計光學系統(tǒng)的功效。要估計的兩種主要的光損失源為：

1.次級光學器件

次級光學器件是不屬于LED本身的所有光學系統(tǒng)，如LED上的透鏡或擴散片。與次級光學器件相關的損失根據(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效率在85%和90%之間。

2．燈具內的光損失

當光線在到達目標物之前，打到燈具罩上時，就產(chǎn)生了燈具光損失。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回燈具。固定物的效率由照明的布局、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，可達到的效率比全方向照明可能達到的要高得多。

對示例中的照明，如果照明需要次級光學器件，則只存在次級光損失。次級光學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的光束角度與目標燈具的光輸出圖像進行了比較。裸LED的光束角度與目標燈具的非常相似，所以不需要次級光學器件。因此，對本示例照明，不存在次級光學器件引起的光損失。

要計算本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，光學效率為：

熱損失

LED的相對通量輸出隨著結溫的上升而降低。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應用都采用較高的結溫。當結溫Tj > 25℃時，光通量肯定比LED數(shù)據(jù)手冊給出的值差。

LED數(shù)據(jù)手冊中有一個曲線，給出了相對光輸出與結溫的關系，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溫，給出了其它特性值。

對本CFL示例，其照明只是為屋頂通風的商業(yè)建筑設計的。本設計基于所列的設計目標，對光輸出、功效和使用壽命的優(yōu)先次序進行了劃分。

XLamp XR-E LED額定為5萬小時后提供平均70%的流明維持率，結溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合適結溫為80℃。對應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的值。

電氣損失

LED驅動電子設備將可用功率源(如墻體插座交流電或電池)轉換成穩(wěn)定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會達到100%。驅動器中的電氣損失降低了總體照明效能，因為把輸入功率浪費在發(fā)熱上了，而沒有用在發(fā)光上。在開始設計LED系統(tǒng)時，就應考慮到電氣損失。

典型LED驅動器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅動器的成本要高得多。要注意，驅動器效率可能隨輸出負載而變化，如曲線4所示。應指定驅動器工作在大于50%輸出負載下，以使效率最大，并使成本最低。

曲線4示例的LED驅動器效率與負載的關系

對于室內應用，驅動器效率87%的估值很好。室外用或非常長的使用壽命的驅動器，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。

步驟四：計算需要的LED數(shù)量

實際需要的流明量

所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計算要達到設計目標需要的實際LED流明數(shù)。對本計算，只使用光效率(光學和熱)。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“需要的實際流明”的計算如下：

所需的實際流明=目標流明/(光學效率×熱效率)=810/(91%×85%)=1,050lm

工作電流

另一個需要確定的是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很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過，增加工作電流同時也帶來多個缺點，如表6所示。根據(jù)應用的不同，考慮到每個LED流明輸出值更高，這些缺點也許可以接受。

對示例照明，使用壽命和功效是最應優(yōu)先考慮的設計目標，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，就可以計算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實際需要的流明數(shù)計算中考慮到了，故LED供應商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。

對本計算，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)來設計，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要求。

本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時的最小光通量為67.2 (P2 flux bin)。LED的數(shù)量計算如下。

LED的數(shù)量=實際所需的流明數(shù)/每個LED的流明數(shù)＝1,050 lm / 67.2 lm=16個LED

步驟五：考慮所有設計可能并選擇最佳設計

LED數(shù)計算好之后，考慮滿足設計目標的所有設計可能。由于每個LED都是一個小照明，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)設計元件一起集成到照明中。設計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學器件來構造原始設計，。

同時不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設計的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標準列表超出了本文的范圍，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、熱和電器)的3個選項進行說明。對每個系統(tǒng)，給出了最佳選項的選擇指南。

光學系統(tǒng)選項

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器件。本選項可使成本最低，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用更低。

缺點是會出現(xiàn)多照明陰影效應，下面將對此予以說明。另外，如果LED的光分布與目標照明的光分布差異很大，就不能采用此方法。

2．帶有次級光學器件的LED和現(xiàn)有燈反射器

次級光學器件是除LED初級光學器件外附加的光學元件，用于對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學器件類型為反射(光從某個表面反射回)，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)。次級光學器件可以通過購買標準件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設計定制。

每個LED使用一個次級光學器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，為點照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。

這種方法有幾個缺點。首先，因為增加了元件并且裝配較復雜,所以照明的成本較高。其次，由于光學器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級光學器件會降低光學系統(tǒng)的功效。

3．裸LED，現(xiàn)有的燈反射器和漫射器

不是每個LED都使用一個光學器件，整個LED陣列可以使用一個漫射器來傳播光。這種方法的優(yōu)點是光束角度比裸LED能達到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應。

選項2的缺點是成本較高，并且光學系統(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、多源陰影效應和美觀度通常決定了光學系統(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2。否則，選項1在成本、功效和亮度上要更好。不過，選項1和2都有多源陰影效應。

另外，用戶查看選項1和2時，會發(fā)現(xiàn)單個的LED，而使用選項3的用戶只能看見一個發(fā)散而均勻的照明。

多源陰影效應

多源陰影效應是當物體位于多個照明之間時，表面出現(xiàn)多個陰影的現(xiàn)象。大多數(shù)人都見過安裝在浴室水池上方的多個燈泡，會注意到后面墻壁上有多個自己的影子，這就是多源陰影效應。

布局很近的LED將產(chǎn)生多個相互接近的陰影。在目標應用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設計師要決定，對目標應用，多陰影效應的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應而帶來的額外光學損失是否值得。

熱系統(tǒng)選項

1．現(xiàn)有燈具罩

最低成本選項是將現(xiàn)有設計的燈具罩作為LED照明的罩和散熱片來重新使用。

新照明設計顯然不能選擇這一選項。另外，多數(shù)現(xiàn)有罩都是鋼制的，熱導性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

2．現(xiàn)成的散熱片

另一個選項是購買現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設計經(jīng)過驗證，制造商有完整的技術指標。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標應用而優(yōu)化。

3．定制散熱片

定制方案為應用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。

這一選項需要設計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設計經(jīng)驗的第三方來協(xié)助。加工和制造費用可能使定制散熱片的單位成本高于現(xiàn)成設計的成本。

目標照明的成本、可用的散熱片開發(fā)時間以及目標最高環(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2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下, 選項3更優(yōu)(如室外照明或條件不好的室內照明)。

例子中的LED照明使用熱阻為0.47℃/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算：

Tj=Ta + ( Rth b-a×Ptotal )+ ( Rth j-sp×PLED )

其中，Tj 為 LED結溫，Ta 為環(huán)境溫度，Rth b-a為散熱片的熱阻，PLED為單個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=80℃
Rth b-a=0.47℃/W
PLED=0.35 A×3.3 V=1.155 W
Ptotal=16×1.155 W=18.48 W
Rth j-sp=8℃/W

Ta 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℃-9.24℃
= 62℃

對本室內應用，例中照明的最高環(huán)境溫度62℃可以接受。對需要最高環(huán)境溫度更高的工作環(huán)境，既可以提高最大結溫(可能影響使用壽命)，也可以改進熱系統(tǒng)(Rth b-a )(例如選擇更好的散熱片)。

電氣系統(tǒng)選項

1．現(xiàn)成的LED驅動器

由于現(xiàn)成LED驅動器已經(jīng)可以使用了，并且有參考電路設計，所以，使用現(xiàn)成的LED驅動器將使設計時間最快。對所有零件都進行電磁干擾(EMI)和安規(guī)測試，并且一般來說，批量情況下每單位的成本最低。

缺點是現(xiàn)有LED驅動器效率通常在80%中間范圍。根據(jù)銷售商和應用的不同，使用壽命和工作溫度也可能是個問題。

2．下一代LED驅動器

隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導體公司都在將注意力轉向優(yōu)化LED設計。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅動器開發(fā)進行合作，這樣效率更高，并且能獲得管理部門的完全認可。

不過，等待產(chǎn)品開發(fā)可能推遲LED照明的開發(fā)。另外，小一些的公司可能無法找到驅動器公司來一起開發(fā)未上市的產(chǎn)品。

3．定制設計

對于熱設計，可以選擇完全定制電氣系統(tǒng)?？赡鼙仁褂矛F(xiàn)成零件達到的效率高，但有許多潛在缺點。

開發(fā)和認證批準由設計師承擔。即使在開發(fā)之后，每單位成本也可能高于現(xiàn)有方案。另外，不要忘記，在LED照明開發(fā)期間，驅動器公司會一直開發(fā)效率更高且更廉價的驅動器。

可以利用的開發(fā)資源和目標效率通常決定了電氣系統(tǒng)的選擇。在目前的大功率LED環(huán)境下，總照明效率的提高受LED本身的影響比受驅動器的影響要大。盡快完成產(chǎn)品可能比試圖等電氣設計更完美后要有利。

步驟六：最后步驟

表8詳細給出了構建和評估原型照明的最后步驟，一旦作出設計決定，可按照該步驟來完成。

從哪里得到幫助

整個LED照明設計步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到最終設計的Cree目前的合作伙伴的聯(lián)系方法。