LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文詳細(xì)討論LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的六個(gè)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(duì)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。本文以一個(gè)室內(nèi)照明設(shè)計(jì)為例，所述的設(shè)計(jì)過程可以用于任何LED照明設(shè)計(jì)。

　　現(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)長(zhǎng)ED的使用壽命比傳統(tǒng)燈泡的要長(zhǎng)得多）且能耗降低，所以基于LED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(guó)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(jí)LED具有至少50,000小時(shí)的高效、方向性照明。利用照明級(jí)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?/P>

　　2 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(zhǎng)5到50倍

　　4 降低光對(duì)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(gè)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(huì)約束設(shè)計(jì)。對(duì)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(duì)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(duì)目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以在圍繞有關(guān)光輸出、成本和工作環(huán)境而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)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(cuò)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(guó)能源部意識(shí)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(duì)措施，美國(guó)能源部發(fā)起了“DOE SSL商用產(chǎn)品測(cè)試計(jì)劃（CPTP）”，對(duì)LED照明制造商聲稱的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。該計(jì)劃以匿名方式測(cè)試LED照明的下列4個(gè)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L(zhǎng)ED照明設(shè)計(jì)設(shè)定了一個(gè)很好的先例。

　　燈的概念可能過時(shí)了

　　LED光的使用壽命很長(zhǎng)，這就可能使燈的概念變得過時(shí)了。照明級(jí)LED不會(huì)像電燈泡那樣出現(xiàn)災(zāi)難性失效。相反，照明級(jí)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(shí)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(zhǎng)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(shí)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(shí)使用壽命避免了多少對(duì)環(huán)境的影響。送往填埋場(chǎng)的白熾燈泡至少要少25倍，并且能源消耗量要少5倍。（美國(guó)約50%的能源來自燃煤，而燃煤會(huì)給空氣中釋放汞）。或者，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(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)LED照明，使其使用壽命最長(zhǎng)并節(jié)省TCO是一個(gè)應(yīng)對(duì)LED照明原始成本高這一障礙的極佳策略。

　　表1列出了設(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(gè)LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計(jì)算例子。不僅對(duì)本例，對(duì)所有類型照明，本設(shè)計(jì)步驟都可重復(fù)使用。

　　步驟一：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(duì)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(duì)其它應(yīng)用，確定現(xiàn)有照明的特性是一個(gè)好方法。

　　表2列出了確定現(xiàn)有照明特性時(shí)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。

　　所有照明公司都可以提供數(shù)據(jù)文件或文檔，詳細(xì)給出其各種燈具的關(guān)鍵特性。“潛在關(guān)鍵”的特性要更主觀一些，或者在制造商文檔里沒有列出。在這種情況下，由設(shè)計(jì)師確定現(xiàn)有照明的特性。

　　圖1說明了例中CFL嵌頂燈的關(guān)鍵特性。

　　表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(shí)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(duì)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(gè)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)長(zhǎng)ED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(cè)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，此方法太簡(jiǎn)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(dòng)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(gè)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(duì)估計(jì)這些系統(tǒng)損失的過程進(jìn)行簡(jiǎn)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(jí)光學(xué)器件

　　次級(jí)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(jí)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(jí)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)物之前，打到燈具罩上時(shí)，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(duì)示例中的照明，如果照明需要次級(jí)光學(xué)器件，則只存在次級(jí)光損失。次級(jí)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(jí)光學(xué)器件。因此，對(duì)本示例照明，不存在次級(jí)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：