LED照明系統(tǒng)設(shè)計指南六步驟

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(shè)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(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“需要的實際流明”的計算如下：

所需的實際流明=目標流明/(光學(xué)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(yīng)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(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計可能并選擇最佳設(shè)計

LED數(shù)計算好之后，考慮滿足設(shè)計目標的所有設(shè)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(shè)計元件一起集成到照明中。設(shè)計師可以充分利用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，。

同時不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設(shè)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(xué)、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(xué)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(xué)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(yīng)，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(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準件、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(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(yīng)。

選項2的缺點是成本較高，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(yīng)。

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(yīng)

多源陰影效應(yīng)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(yīng)。

布局很近的LED將產(chǎn)生多個相互接近的陰影。在目標應(yīng)用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設(shè)計師要決定，對目標應(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

1．現(xiàn)有燈具罩

最低成本選項是將現(xiàn)有設(shè)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(shè)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(dǎo)性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

2．現(xiàn)成的散熱片

另一個選項是購買現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設(shè)計經(jīng)過驗證，制造商有完整的技術(shù)指標。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標應(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)化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。

這一選項需要設(shè)計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設(shè)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(shè)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(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(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，既可以提高最大結(jié)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(qū)動器

由于現(xiàn)成LED驅(qū)動器已經(jīng)可以使用了，并且有參考電路設(shè)計，所以，使用現(xiàn)成的LED驅(qū)動器將使設(shè)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(qū)動器效率通常在80%中間范圍。根據(jù)銷售商和應(yīng)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(qū)動器

隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導(dǎo)體公司都在將注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化LED設(shè)計。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅(qū)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(qū)動器公司來一起開發(fā)未上市的產(chǎn)品。

3．定制設(shè)計

對于熱設(shè)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(shè)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(qū)動器公司會一直開發(fā)效率更高且更廉價的驅(qū)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(qū)動器的影響要大。盡快完成產(chǎn)品可能比試圖等電氣設(shè)計更完美后要有利。

步驟六：最后步驟

表8詳細給出了構(gòu)建和評估原型照明的最后步驟，一旦作出設(shè)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(shè)計步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到最終設(shè)計的Cree目前的合作伙伴的聯(lián)系方法。