工程师浅谈:LED照明的设计经验

　　LED照明产品最关键的几个部分通俗的说就是配光、结构、电子，而配光、结构、电子用专业术语表达为：光性能、热性能、电性能。在此同时，配光尤为重要，不懂配光，就做不好LED照明,确定用谁的LED封装结构;接下来考虑怎样适应这些封装形式。

　　热性能(结构)

　　照明用的LED发光效率和功率的提供是LED产业的关键之一，在此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要。PN结温与灯体温度差异越大，那么热阻越大，随之光能被转换成热能白白消耗掉，严重时LED损坏。一个好的结构工程师，不仅要考虑灯具的结构与LED的热阻，还要考虑灯具的外形是否合理、时尚、新颖，当然还有可靠性和可维护性以及实用性，即要站在设计者的角度去思考，又要站在用户的角度去考量产品…

　　1、最短的热传到路径，减小热传导阻力;

　　2、增大相互传导面积，增加热传到速度;

　　3、合理的计算设计散热面积;

　　4、有效的利用热容量效应。

　　目前上游龙企业，比如CREE已经可以做到的芯片光效可以达到130-150lm/W。但是LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。保持LED结温在允许的范围内，是大功率LED芯片制备、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点研究的关键因素，尤其是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题。

　　现在主流的应用技术材质是用铝基板来封装，但是铝基板封装的芯片散热和光转换效率都存在技术核心瓶颈，不能有效地控制结温和稳定地维持高功率的光输出，并且应用会因为芯片光效越高，所需的铝基板面积就越大，会加大成本和应用体积，极为不便。所以如何走出此误区另辟新路是新的技术核心特点。在保持低成本和被动散热方式的前提下，利用高导热介质，通过崭新的器件/灯具整体结构，降低热阻，降低PN结结温，使PN结工作在允许工作温度内，保持最大量光子输出,其起码的要求如下：

　　(1)超低热阻材料，快速散热整体结构技术;

　　(2)高导热、抗UV封装技术;

　　(3)应用低环境应力结构技术;

　　(4)整体热阻<20K/W，结温<80度;

　　(5)LED光源照明模组工作温度控制在65℃以下。

　　光性能(配光)

　　LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。显示用的LED，主要是视觉的直观效果，因此对相关显色指数不作要求，而照明用的白光LED，色温、显色指数和照度就尤为重要，它是照明气氛和效果的重要指标，而色纯度和主波长一般没有要求。

　　目前全球LED行业内的主流做法是在封装LED芯片形成光源或光源模组以后，在做成灯具的时候再进行配光，这样采用的是原有传统光源的做法，因为传统光源是360°发光。如果要把光导到应用端，目前飞利浦的传统灯具做到最好的一款，光损失也达到40%。而我们国内众多的LED下游厂家应用的灯具光学参数其实都是芯片或者光源的光学参数，而不是整体灯具的的光学指标参数。

　　现在最先进的科学方法是在芯片封装上就做配光，一次把芯片的光导出来，维持最大的光输出，这样光损率只有5%-10%。随着技术的不断改进，光损率将会越来越低，光源的光效会越来越高。同样配有这样的光源灯具无需再做配光，相对的灯具效率将会大大提高，使之更为广泛地使用到功能性照明之中，形成相当规模的市场渠道。因此一个好的LED供应商，是我们当务之急，我们没必要花高代价去研究我们的LED如何去配光为好，也不需要花很多时间和经历让工程师去用软件仿真，最简单的方法就是让LED白光供应商来配合。要知道，我们的工程师如用软件去仿真，那么必需的动作就是输入和输出。输入即前期的数据导入，输出则仿真的结果，那么要求前期的数据必须准确无误后端的仿真才能正确。

　　电性能(电子)

　　如果把一个照明灯具比喻成一个少女，那么配光是她的内涵、结构则是她的容貌、电子就是她的心脏。(吸引人们眼球的总是那些外表美丽、时尚的美女们，产品亦是如此)。人没有心脏则没有生命，灯具没有电子则不成电源，一个好的驱动电源也能决定一个产品的寿命。电子方面的标准和参数往往要比结构复杂得多，前期的研发精力投入也比较大。目前的技术走向和更新是日新月异，一天一个样…工程师们得花很大的精力去学习、吸收、分解、应用新技术。电子设计的前期计划，中期实施，后期的成型整个过程需形成文件、形成数据这也是设计中最繁琐的事情。比如:一个电源设计时的一个前期方案，产品简介、标准规范依据、安全规格依据、电性能期望值、工艺要求、原材料评估、测试方法等等都要形成系统文件…

　　LED电源作为LED灯的核心部件，犹如LED的心脏，LED驱动电源的好坏直接决定了LED灯具的好坏。首先，在结构设计上，室外LED驱动电源必须有严格的防水功能，否则，无法承受外界恶劣的使用环境。其次，LED驱动电源的防雷功能也致关重要。外界工作时难免遇到雷雨天气，如果驱动电源无防雷功能，将直接影响LED灯具寿命，增加灯具维护成本;最后，在原材料的选用上，其可靠性必须满足其寿命需求，功能特性需足够的好。目前LED芯片理论寿命大约是10万小时，而业界元器件寿件如要与之匹配，关键元器件的选择必须经过完善的DMT、DVT的验证管理，以保证长寿命及产品可靠性要求，否则电源寿命不够，灯具寿命也就无法实现。

　　20W以内市电驱动时48V左右比较合适;

　　较大的功率市电驱动输出电压36V左右最合适;

　　离线式照明大部分是12V和24V电压。

　　特点：

　　基于串并联安全考虑出负载合适的驱动电压值，尽量统一电压值减小电源设计规格成本;

　　基于安规规定，产品设计要符合认证要求，流峰值超过42.4Vac或直流超过60Vdc的电压 ;

　　从解决LED照明市场大规模上量的技术和品质问题考虑。

　　LED驱动电源在节能、高效、寿命优于传统灯具，才能让LED真正做到节能降耗，促进产业的发展。LED的散热(结构设计)，是决定光通维持率，组件、设备安全的关键。LED配光(光学设计)，是行业技术水平象征。掌握好以上技术，LED照明也就简单了。