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)指南完全版本文詳細(xì)討論 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六個設(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；(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)?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 L

2、ED 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(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

3、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，一個完整的照明設(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

4、工作環(huán)境而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)時提供指導(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)”， LED對照明制造商聲稱的指標(biāo)進(jìn)行測試。該

5、計(jì)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(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(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

6、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(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?，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

7、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 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。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，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(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。圖 1 說明了例中 CFL 嵌頂燈的關(guān)鍵特性。表

8、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 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)?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(shè)計(jì)目標(biāo)流明，這種方法很誘人。然而，此方法太

9、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)的個人經(jīng)驗(yàn)，或者本文提供的例子數(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

10、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?zé)艟?。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(dá)到的效率比全方向照明可能達(dá)到的要高得多。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

11、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，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(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-

12、E LED 額定為 5 萬小時后提供平均 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)動電子設(shè)備將可用功率源(如墻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，效率不會達(dá)到 100%。驅(qū)動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，就應(yīng)考慮到電氣損失。典型 LED 驅(qū)動器的效率在 80%到 90%之間。效率高于 90%的驅(qū)動器的成本要高得多。要注意，驅(qū)動器

13、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)動器效率與負(fù)載的關(guān)系對于室內(nèi)應(yīng)用，驅(qū)動器效率 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(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

14、)=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(diǎn)，如表 6 所示。根據(jù)應(yīng)用的不同，考慮到每個 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

15、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 CCT 的 XLamp XR-E LED， mA 時的最小光通量為 67.2 (P2350flux 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 LED 的流明數(shù)1,050 lm / 67.2 lm=16 個 LED步驟五：考慮所有設(shè)

16、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 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(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 個選項(xiàng)進(jìn)行說明。對每個系統(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

17、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)

18、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 LED 使用一個次級光學(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)器件會降低光學(xué)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(xué)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(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

19、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，會發(fā)現(xiàn)單個的 LED，而使用選項(xiàng) 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(yīng)多源陰影效應(yīng)是當(dāng)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

20、面墻壁上有多個自己的影子，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。2現(xiàn)成的散熱片另一個選項(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

21、片定制方案為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機(jī)會，但有幾個缺點(diǎn)。目標(biāo)照明的成本、可用的散熱片開發(fā)時間以及目標(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 0.47/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-aPtotal )+ ( Rth j-spPLED )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 LED 的功耗，

22、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 A3.3 V=1.155 WPtotal=161.155 W=18.48 WRth j-sp=8/WTa MAX=Tj MAX-( Rth b-aPtotal )-( Rth j-spPLED )= 80- ( 0.47/W18.48 W ) -( 8/W1.155 W )= 80- 8.6856-9.24= 62對本室內(nèi)應(yīng)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，