LED 照明系统设计指南完全版 表 1 列出了设计大功率 LED 照明的一般步骤。本文的其余部分依次讨论这些设计步骤。为 了更好地说明这些设计概念， 本文给出了一个 LED 照明取代 23W CFL 嵌顶灯的计算例子。 不仅对本例，对所有类型照明，本设计步骤都可重复使用。 步骤一：确定照明需求 LED 照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此，在建立设计目标之前就必须确定照 明要求。对于某些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对其它应用，确定现有 照明的特性是一个好方法。 表 2 列出了确定现有照明特性时要考虑的主要特性。光输出和功率特性始终很关键，而根 据应用的不同，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数据文件或文档，详细给出其各种灯具的关键特性。“潜在关键”的 特性要更主观一些，或者在制造商文档里没有列出。在这种情况下，由设计师确定现有照明 的特性。 图 1 说明了例中 CFL 嵌顶灯的关键特性。 表 3 给出了现有照明的全部特性。 步骤二：确定设计目标 照明要求确定好了之后，就可以确定 LED 照明的设计目标了。与定义照明要求时一样，关 键设计目标与光输出和功耗有关。 确保包含了对目标应用也可能重要的其它设计目标， 包括 工作、材料清单(BOM)成本和使用寿命。 表 4 以 LED 照明为例列出的设计目标。 步骤三：估计光学系统、热系统和电气系统的效率 设计过程中最重要的参数之一是，需要多少个 LED 才能满足设计目标。其他的设计决策都 是围绕 LED 数量展开，因为 LED 数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。 查看 LED 数据手册列出的典型光通量，用该数除设计目标流明，这种方法很诱人。然而， 此方法太简化了，依此设计将满足不了应用的照明要求。 LED 的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要的数量，必须首 先估计光学、热和电气系统的效率。 光学系统效率 通过考察光损失估计光学系统的功效。要估计的两种主要的光损失源为： 1.次级光学器件 次级光学器件是不属于 LED 本身的所有光学系统，如 LED 上的透镜或扩散片。与次级光学 器件相关的损失根据使用的特定元件的不同而变化。 通过各次级光元件的典型光学效率在 8 5%和 90%之间。 2．灯具内的光损失 当光线在到达目标物之前，打到灯具罩上时，就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收， 有些则反射回灯具。固定物的效率由照明的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。如图 2 所示，LED 光具有方向性，可达到的效率比全方向照明可能达到的要高得多。 对示例中的照明，如果照明需要次级光学器件，则只存在次级光损失。次级光学器件的主要 目的是改变 LED 的光输出图像。曲线 将 Cree XLamp XR-E LED 的光束角度与目标灯 具的光输出图像进行了比较。裸 LED 的光束角度与目标灯具的非常相似，所以不需要次级 光学器件。因此，对本示例照明，不存在次级光学器件引起的光损失。 要计算本示例的灯具损失，我们假定灯具反射杯的反射率为 85%，60%的光将打到反射杯 上。因此，光学效率为： 热损失 LED 的相对通量输出随着结温的上升而降低。 大多数 LED 数据手册都列出了 25℃下的典型 光通量值，而大多数 LED 应用都采用较高的结温。当结温 Tj 25℃时，光通量肯定比 LE D 数据手册给出的值差。 LED 数据手册中有一个曲线，给出了相对光输出与结温的关系，例如如曲线 所示的 XLa mp XR-E 白色 LED。该曲线通过选择特定相对光输出或者特定结温，给出了其它特性值。 对本 CFL 示例，其照明只是为屋顶通风的商业建筑设计的。本设计基于所列的设计目标， 对光输出、功效和使用寿命的优先次序进行了划分。 XLamp XR-E LED 额定为 5 万小时后提供平均 70%的流明维持率，结温保持在 80℃或以 下。因此，CFL 示例的最高合适结温为 80℃。对应的最小相对光通量为 85%，如曲线%相对光通量是对本例照明热功效估计的值。 电气损失 LED 驱动电子设备将可用功率源(如墙体插座交流电或电池)转换成稳定的电流源。 这一过程 与所有电源一样，效率不会达到 100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效能，因为把 输入功率浪费在发热上了，而没有用在发光上。在开始设计 LED 系统时，就应考虑到电气 损失。 典型 LED 驱动器的效率在 80%到 90%之间。效率高于 90%的驱动器的成本要高得多。要 注意，驱动器效率可能随输出负载而变化，如曲线 所示。应指定驱动器工作在大于 50% 输出负载下，以使效率最大，并使成本最低。 曲线 示例的 LED 驱动器效率与负载的关系 对于室内应用，驱动器效率 87%的估值很好。室外用或非常长的使用寿命的驱动器，效率 可能要低一些。 表 5 概括了示例照明的光、热和电气系统的效率。 步骤四：计算需要的 LED 数量 实际需要的流明量 所有系统效率估算好之后，就可计算要达到设计目标需要的实际 LED 流明数。对本计算， 只使用光效率(光学和热)。电气效率只影响总功耗和灯具效能，而不影响照明的光输出量。 示例照明“需要的实际流明”的计算如下： 所需的实际流明=目标流明/(光学效率×热效率)=810/(91%×85%)=1,050lm 工作电流 另一个需要确定的是 LED 的工作电流。 工作电流在确定 LED 照明的效能和使用寿命时很重 要。增加工作电流，则各 LED 的光输出会变大，因而减少了所需的 LED 数量。不过，增加 工作电流同时也带来多个缺点，如表 6 所示。根据应用的不同，考虑到每个 LED 流明输出 值更高，这些缺点也许可以接受。 对示例照明，使用寿命和功效是最应优先考虑的设计目标，本照明以 XLamp XR-E 数据手 册所列的最小工作电流(350 mA)工作，以最大限度提高 LED 功效并延长使用寿命。 LED 数量 工作电流确定之后，就可以计算各 LED 的流明输出数了。由于 LED 的热损失已经在实际需 要的流明数计算中考虑到了，故 LED 供应商文档给出的数量可以直接使用。 对本计算，使用 LED 订单代码所列的最小通量，而不是使用数据手册给出的典型数量。大 多数 LED 公司根据最小通量范围销售。根据此最小数来设计，就可以确保用该 LED 订单代 码制作的所有照明都能满足目标要求。 本例中的照明使用 4000K CCT 的 XLamp XR-E LED， 350 mA 时的最小光通量为 67.2 (P 2 flux bin)。LED 的数量计算如下。 LED 的数量=实际所需的流明数/每个 LED 的流明数＝1,050 lm / 67.2 lm=16 个 LED 步骤五：考虑所有设计可能并选择最佳设计 LED 数计算好之后，考虑满足设计目标的所有设计可能。由于每个 LED 都是一个小照明， 比传统照明的使用寿命要长许多，因此 LED 可以与新型和非常规设计元件一起集成到照明 中。设计师可以充分利用 LED 光的方向性和大量可用的次级光学器件来构造原始设计，。 同时不要忘记，有许多不同规则着设计的选择。要给出适用 LED 照明的完整的世界标 准列表超出了本文的范围，不过，下面的表 7 给出了世界某些地域使用的规则的例子。 本节的其余部分对本示例 LED 照明的各系统(光学、热和电器)的 3 个选项进行说明。对每 个系统，给出了最佳选项的选择指南。 光学系统选项 1．裸 LED 和现有灯反射器 如前面所述，现有 CFL 灯具的角度和 LED 的角度非常相似，因此，可选则不使用次级光学 器件。本选项可使成本最低，并且系统光损失最小。使用的元件较少，人力也较少，这样使 照明安装更简单并且费用更低。 缺点是会出现多照明阴影效应，下面将对此予以说明。另外，如果 LED 的光分布与目标照 明的光分布差异很大，就不能采用此方法。 2．带有次级光学器件的 LED 和现有灯反射器 次级光学器件是除 LED 初级光学器件外附加的光学元件，用于对 LED 的光输出进行整形。 一般的次级光学器件类型为反射(光从某个表面反射回)， 或者折射(光通过折射材料弯曲， 折 射材料通常为玻璃或塑料)。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型 通过光线模拟来设计定制。 每个 LED 使用一个次级光学器件，各 LED 的光束角度就可以定制，从而得到所需的准确光 图像输出。例如，可以缩小各 LED 的光束角度，为点照明优化照明，而不是为普通照明优 化。 这种方法有几个缺点。首先，因为增加了元件并且装配较复杂,所以照明的成本较高。其次， 由于光学器件连接到各 LED 上，可能仍然存在多照明阴影。最后，次级光学器件会降低光 学系统的功效。 3．裸 LED，现有的灯反射器和漫射器 不是每个 LED 都使用一个光学器件，整个 LED 阵列可以使用一个漫射器来光。这种方 法的优点是光束角度比裸 LED 能达到的光束角度宽，并且消除了多照明阴影效应。 选项 2 的缺点是成本较高，并且光学系统的功效低。由于漫射器只能发散光，不能聚集， 所以，如果光分布必须窄于裸 LED 的分布，则不能选择这种方法。 光照度分布、多源阴影效应和美观度通常决定了光学系统的选择。如果光输出必须比裸 LE D 的光输出窄，就只能选择选项 2。否则，选项 1 在成本、功效和亮度上要更好。不过，选 项 1 和 2 都有多源阴影效应。 另外，用户查看选项 1 和 2 时，会发现单个的 LED，而使用选项 3 的用户只能看见一个发 散而均匀的照明。 多源阴影效应 多源阴影效应是当物体位于多个照明之间时， 表面出现多个阴影的现象。 大多数人都见过安 装在浴室水池上方的多个灯泡， 会注意到后面墙壁上有多个自己的影子， 这就是多源阴影效 应。 布局很近的 LED 将产生多个相互接近的阴影。在目标应用中，这些接近的阴影的出现可能 不受欢迎。设计师要决定，对目标应用，多阴影效应的重要性有多大，增加满射器以减小此 效应而带来的额外光学损失是否值得。 热系统选项 1．现有灯具罩 最低成本选项是将现有设计的灯具罩作为 LED 照明的罩和散热片来重新使用。 新照明设计显然不能选择这一选项。另外，多数现有罩都是钢制的，热导性差。一般来说， 选择钢罩不利于散热。 2．现成的散热片 另一个选项是购买现成的散热片。 这种现成的散热片设计经过验证， 制造商有完整的技术指 标。不过，其性能、尺寸和形状可能没有面向目标应用而优化。 3．定制散热片 定制方案为应用提供了优化散热片的最佳机会，但有几个缺点。 这一选项需要设计师能利用热仿真软件， 或者由有热设计经验的第三方来协助。 加工和制造 费用可能使定制散热片的单位成本高于现成设计的成本。 目标照明的成本、可用的散热片开发时间以及目标最高温度常常决定了热系统的选择。 一般来说，在降低成本比最高温度更重要的情况下,选项 2 更好。在最高温度更重 要的情况下, 选项 3 更优(如室外照明或条件不好的室内照明)。 例子中的 LED 照明使用热阻为 0.47℃/W 万的现成散热片。使用这一散热片热阻值，最高 温度可以用下式计算： Tj=Ta + ( Rth b-a×Ptotal )+ ( Rth j-sp×PLED ) b-a 为散热片的热阻，PLED 为单个 其中，Tj 为 LED 结温，Ta 为温度，Rth 热阻。 示例中的照明的值为： Tj,MAX=80℃ Rth b-a=0.47℃/W LED 的功耗， 封装 PLED=工作电流×该工作电流下的典型 Vf，Ptotal =总功耗=LED 数×PLED，Rth j-sp=LED 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℃ 对本室内应用，例中照明的最高温度 62℃可以接受。对需要最高温度更高的工作 ，既可以提高最大结温(可能影响使用寿命)，也可以改进热系统(Rth 的散热片)。 电气系统选项 1．现成的 LED 驱动器 由于现成 LED 驱动器已经可以使用了，并且有参考电设计，所以，使用现成的 LED 驱动 器将使设计时间最快。对所有零件都进行电磁干扰(EMI)和安规测试，并且一般来说，批量 情况下每单位的成本最低。 缺点是现有 LED 驱动器效率通常在 80%中间范围。根据销售商和应用的不同，使用寿命和 工作温度也可能是个问题。 2．下一代 LED 驱动器 b-a )(例如选择更好 随着 LED 照明的逐渐普及，更多的半导体公司都在将注意力转向优化 LED 设计。也可选择 与一家这样的公司就下一代 LED 驱动器开发进行合作，这样效率更高，并且能获得管理部 门的完全认可。 不过，等待产品开发可能推迟 LED 照明的开发。另外，小一些的公司可能无法找到驱动器 公司来一起开发未上市的产品。 3．定制设计 对于热设计，可以选择完全定制电气系统。可能比使用现成零件达到的效率高，但有许多潜 在缺点。 开发和认证批准由设计师承担。即使在开发之后，每单位成本也可能高于现有方案。另外， 不要忘记，在 LED 照明开发期间，驱动器公司会一直开发效率更高且更廉价的驱动器。 可以利用的开发资源和目标效率通常决定了电气系统的选择。 在目前的大功率 LED 下， 总照明效率的提高受 LED 本身的影响比受驱动器的影响要大。尽快完成产品可能比试图等 电气设计更完美后要有利。 步骤六：最后步骤 表 8 详细给出了构建和评估原型照明的最后步骤，一旦作出设计决定，可按照该步骤来完 成。 从哪里得到帮助 整个 LED 照明设计步骤是决定性的。表 9 提供了可以帮助得到最终设计的 Cree 目前的合 作伙伴的联系方法。