高功率LED在室內(nèi)照明領域的發(fā)展

　　1 引言

　　LED照明市場商機為業(yè)界帶來無窮想象空間，LED照明應用已經(jīng)從過去室外LED跳向室內(nèi)照明應用。根據(jù)Strategies Unlimited統(tǒng)計，未來五年內(nèi)LED室內(nèi)照明的發(fā)展將有指數(shù)型增長趨勢。按照估計，至2011年，其產(chǎn)值將高達數(shù)百億美元。尤其是2009年歐盟率先實施禁用白熾燈計劃，以及節(jié)能議題備受關注，造就了LED室內(nèi)照明巨大的市場機遇和樂觀的前景。下文從散熱技術、光學設計和驅動設計等燈具技術的需求，分析高功率LED 在室內(nèi)照明領域中的發(fā)展。

　　高功率LED照明的發(fā)展高功率LED照明的發(fā)展取決于兩大元素：一是芯片本身；二是燈具技術，包含散熱、光學、驅動。

　　2 芯片支持

　　目前，LED 芯片技術發(fā)展的關鍵在于基底材料和外延生長技術。基底材料由傳統(tǒng)的藍寶石材料、硅和碳化硅，發(fā)展到氧化鋅、氮化鎵等新材料。無論是面向重點照明和整體照明的高功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡單的輔助照明的低功率芯片，技術升級的關鍵都關乎如何開發(fā)出更高效、更穩(wěn)定的芯片。在短短數(shù)年內(nèi)，借助于包括芯片結構、表面粗化處理和多量子阱結構設計在內(nèi)的一系列技術改進，LED 在光效方面實現(xiàn)了巨大突破。圖1是LED 芯片結構的發(fā)展示意圖。隨著生產(chǎn)技術的逐漸成熟，LED 量子效率將進一步提高，LED 芯片的光效也將隨之增強。

　　薄膜芯片技術是超亮 LED 芯片生產(chǎn)中的核心技術，能夠減少各側面的光輸出損耗，并能借助底部的反射面使 97% 以上的光線從正面輸出（見圖 2）。這不僅顯著提高LED 的光效，還為透鏡設計創(chuàng)造了優(yōu)越的便利條件。

　　3 燈具技術的需求

　　3.1 散熱技術

　　大眾一直關注燈具的使用壽命。若僅僅依靠使用低熱阻的 LED 元件是未能為燈具裝置構建良好的散熱系統(tǒng)，而必須有效地減小從 PN 節(jié)點到周圍環(huán)境的熱阻，才能大大降低 LED 的 PN 節(jié)點溫度，而成功實踐延長 LED 燈具的使用壽命并提高實際光通量的目標。有別于一般傳統(tǒng)燈具，印刷電路板既是 LED 的供電載體，也是 LED 的散熱載體，所以散熱片和印刷電路板的散熱設計十分重要。除此之外，燈具制造商還須考慮散熱材料的質(zhì)量、厚度和尺寸以及散熱界面的處理和連接等因素。

　　3.2 光學設計

　　與傳統(tǒng)燈具比較，定向性和點光源是 LED 最典型的兩大特點，而如何善用 LED 的這兩大特點便是燈具光學設計的關鍵之處。

　　透過 LED 的二元光學設計，LED 燈具能夠達到更好的配光曲線。例如，在室內(nèi)照明應用中燈具的光線需要十分明亮，則可使用高透光率燈罩提高光提取效率?；蚴菍Ч獍寮夹g應用到燈具中，從而將 LED 點光源更改為面光源，不但能提高燈具的配光均勻度，還可以防止眩光。另外，在一些輔助照明和重點照明應用中，為了突出要照亮的物體而需要特定的聚光效果，在這種情況下，可配合一些聚光透鏡或反射器使用，以達到理想的光學效果。

　　3.3 驅動設計

　　必須確保 LED 驅動電流為恒流輸出。當 LED 在正向電流下工作時，節(jié)點電壓的相對變化非常小。因此，確保恒定的 LED 驅動電流，基本上等于確保恒定的 LED 輸出電流。此外，燈光控制設計是現(xiàn)今主流驅動設計之一，多用于氛圍照明應用中，可根據(jù)不同的環(huán)境實現(xiàn)不同的亮度級別，還能完全實現(xiàn)節(jié)能目標。目前，驅動設計的主要趨勢側重于提高功率因數(shù)、降低驅動功耗、優(yōu)化控制精度和加快響應速度。在設計過程中，電源的設計、印刷電路板的布局和串并聯(lián)方式都是必須考慮的因素。

　　4 高功率LED照明的技術挑戰(zhàn)

　　即使 LED 在室內(nèi)重點照明和裝飾照明應用中已有令人滿意的表現(xiàn)，但是在普通照明和氛圍照明應用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括初置成本、色溫較低時的光效、顯色指數(shù)和系統(tǒng)可靠性等。

　　4.1 進一步降低初置成本

　　成本是室內(nèi)照明中相對比較敏感的因素，特別是在家居照明應用中。盡管 LED 燈型號越來越多，光效也在不斷提高，但是價格高這個問題仍然存在。但是當LED光源價格降低，系統(tǒng)設計的整體優(yōu)化，總成本就必然下降?；叵刖o湊型節(jié)能日光燈首次投放市場時，成本約為 15 美元，如今已降至 1.50 美元以下。因此，可以推斷，隨著市場的不斷發(fā)展，LED 燈的價格很快便能到大眾可以接受的程度。

　　4.2 提高低色溫時的光效

　　4，000K 以下的低色溫通常是室內(nèi)家居照明的首選。暖白光令整個環(huán)境更加溫暖和放松；而冷白光則給人潔凈、高效、明亮的感覺，較適用于辦公室和室外照明。因為熒光粉的原故，低色溫時 LED 的光效通常會比高色溫時低大約 30% 。

　　4.3 管理光效和顯色指數(shù)

　　在一般情況下，LED 的光效越高，顯色指數(shù)越低。室內(nèi)照明通常要求 LED 具有更高的顯色指數(shù)，才能客觀顯示物體的亮度和顏色及達到肉眼直接觀察外部景觀時的真實效果。為此，提高 LED 光效的同時，還需要進一步提高顯色指數(shù)。另一種方法則是在燈具表面添加一些紅光，從而達到顯色指數(shù)超過 90 的效果。

　　4.4 提升高電流驅動期間的效率

　　現(xiàn)時，通?？梢詫?1W LED 的電流從 350mA 加大到 1，000mA。然而，在高電流驅動下，即使光通量增加，整體效能通常也會相對顯著下降。因此，必須平衡系統(tǒng)總成本和光效。如果可以在高電流驅動下提高 LED 的光效，則只要確保提供更高的系統(tǒng)光效，就可以大大減少所需的 LED 數(shù)量，從而大幅減低成本。

　　4.5 進一步縮小 LED 的封裝尺寸

　　除了環(huán)保、節(jié)能、無公害外，室內(nèi)LED還具藝術性、尺寸小和能彰顯個性這些特點。而通過進一步縮小 LED 封裝尺寸，可以令燈具設計更具靈活性和創(chuàng)新空間。對于需要用混合照明以提高顯色性的應用場合，較小的封裝尺寸非常有助于實現(xiàn)混合光透鏡和混合光效設計。

　　4.6 延長使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性

　　在一般照明應用中，LED 的整體效率、使用壽命和可靠性必須通過系統(tǒng)優(yōu)化才能得以提升。傳統(tǒng)燈具的系統(tǒng)組裝比較簡單，而 LED 照明系統(tǒng)則涉及多個元件，如圖 3 所示。

　　LED 光源：緊湊、高效，有多種顏色和輸出功率可供選擇。

　　電源轉換：將交流電、電池和其他電源高效轉換為安全的低電壓、恒流電源。

　　控制和驅動：使用電子電路實現(xiàn) LED 的恒流驅動和控制。

　　熱管理：若要達到更長的使用壽命，控制 LED 節(jié)點溫度顯得十分重要，散熱分析也不可或缺。

　　光學元件：透鏡、反射器或導光板材料是將光線聚焦在目標區(qū)域必需的光學元件。

　　5 應用于室內(nèi)照明的LED光源介紹

　　如前文所言，小巧、高效都是選擇LED作光源的重要考慮因素。OSLON SSL LED 是歐司朗光電半導體的最新產(chǎn)品，其功率約為1W。如圖 4 所示，該款 LED 主要設計用于普通室內(nèi)照明，外形小巧，封裝尺寸僅為 3mm x 3mm，而且性能穩(wěn)定、可靠，發(fā)光效率卓越，最大光效超過 100lm/w。即使在高電流下，它也能維持卓越的發(fā)光效率，進而有效降低燈具的整體成本。且具有極高的可靠性和 80°的光束角，所以能夠順利地將光線投射到外部透鏡上。該款 LED 還是室內(nèi)照明的聚光燈、臺燈和天花板泛光燈的理想光源。

　　由于這款 LED 能夠有效處理高電流，因此可以助消費者創(chuàng)建極其節(jié)能和節(jié)約成本的照明解決方案。就這點而言，OSLON SSL LED 具備成為未來“綠色”光源的所有特性。該款 LED 的熱阻低至 7K/W，散熱管理更加簡單，其小巧的外形更是使設計師可以更靈活地創(chuàng)建復雜精致的照明解決方案。如果需要等別強的光線，則可以與一些燈具搭配使用。除了超白光（色溫為 5，700 ～ 6，500K）版本，還有中白光和暖白光（色溫為 2，700 ～ 4，500K）版本。

　　OSLON SSL LED 采用最新的芯片技術制造而成，確保了極高的光效。OSLON SSL LED 的主要參數(shù)如表1 所示。目前，當工作電流為 350mA 時，光源的超白光（色溫為 5，700K 和 6，500K）典型亮度高達 110lm，光通量最大達到 130lm。當工作電流為 350mA且色溫為 3，000K 時，其典型光效可達 75lm/W，亮度則達 85lm。當工作電流為 700mA（暖白光）時，亮度高達 155lm，即可降低單位流明成本的，亦能維持極高的光效，即使少量 LED 亦可實現(xiàn)高標準的照明。

　　例如，只需要七顆 OSLON SSL LED，即可設計出一盞約 15W 的 LED 聚光燈（見圖 5）。當驅動電流為 700mA 時，LED 燈的亮度可達近 1，400lm，而且尺寸非常小巧。有賴它的 80° 光束角，搭載反射器或透鏡時，光效仍非常高。即使將散熱和光損耗考慮在內(nèi)，燈具的最終光通量也可超過 1，000lm。此外，當需要不同的色溫或顯色指數(shù)時，這七顆 LED 中只有少數(shù)須更換為暖白光或其他單色 OSLON SSL LED。這樣，既可獲得任何色溫或更高的顯色性，也大大增加 LED 燈的設計靈活度。

　　6 結語

隨著LED 技術的快速發(fā)展以及LED光效的逐步提高，LED 的應用將越來越廣泛。特別是隨著全球性能源短缺問題的日益嚴重，人們越來越關注 LED 在照明市場的發(fā)展前景，LED 將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的潛力光源。此外，在室內(nèi)燈具設計方面，LED 將趨向節(jié)能化、人性化和藝術化。而OSLON SSL LE