LED路燈的技術(shù)要點分析

　　“十城萬盞”是我國高科技產(chǎn)業(yè)以應(yīng)用促發(fā)展的示范工程，其目的旨在通過選擇一批基礎(chǔ)良好的城市，采取國家、地方、企業(yè)共同投入的模式，率先開展led市政照明的應(yīng)用試點，為我國全面推廣半導(dǎo)體照明摸索經(jīng)驗，并通過應(yīng)用提升產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新水平，增強國際競爭力，促進中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)做大做強。

　　本文選擇了示范項目較多的路燈、隧道燈以及對產(chǎn)品影響較大的驅(qū)動電源3個方面分析其技術(shù)進展，為“十城萬盞”的順利實施提供參考。

　　目前，用于道路照明的傳統(tǒng)光源主要是高壓鈉燈， LED路燈主要在一些支干道上進行了試點應(yīng)用，但兩者已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)劣差異。在光效方面，高壓鈉燈最高可達140 lm/W，比目前商用大功率LED的光效100 lm/W高，但LED的顯色指數(shù)（約80）要遠遠超過高壓鈉燈（約25），且在相同照度下，白光LED更有助于司機或行人識別目標，其道路照明效果和舒適度要遠高于高壓鈉燈。在燈具效率方面，高壓鈉燈采用球面發(fā)光設(shè)計，綜合考慮反射器效率，高壓鈉燈的燈具效率一般僅有70%。但LED是定向出光，如采用恰當(dāng)?shù)呐涔庠O(shè)計，大部分光線會直接投射到路面，燈具效率能達85%以上。

　　所以，僅從光效和燈具效率來看，就可見LED路燈取代傳統(tǒng)路燈光源的巨大潛力。為此，本文將從中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心在LED照明應(yīng)用的研發(fā)過程中對配光、電源和散熱等三個關(guān)鍵技術(shù)所取得的研究成果來重點闡述“十城萬盞”示范應(yīng)用工程關(guān)系密切的“LED路燈”的技術(shù)路線和技術(shù)支撐。

　　配光

　　通過光學(xué)設(shè)計獲得蝙蝠翼型光強分布

　　目前市場上的LED路燈，其光源部分主要分兩種方式：單顆1 W大功率白光LED陣列和大功率集成封裝光源模組。盡管LED路燈的國家標準還沒有出臺，但LED路燈的配光在參考傳統(tǒng)光源道路照明標準要求時要實現(xiàn)以下目標：合適的平均路面亮度；高的總照度均勻度和縱向照度均勻度；合適的環(huán)境比；眩光控制等。

　　從配光曲線上看，要實現(xiàn)以上目標主要是通過合適的光學(xué)設(shè)計以獲得蝙蝠翼型光強分布，從而在路面上獲得矩形的光斑分布。但是普通大功率白光LED的封裝透鏡（即一次光學(xué)透鏡）不適合直接應(yīng)用于LED路燈上，所以在每一個大功率白光LED的一次光學(xué)透鏡上還要添加二次光學(xué)透鏡，目前“花生米”型的二次光學(xué)透鏡能達到較好的效果。

　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的設(shè)計思路是不采用單獨的二次光學(xué)透鏡，而是在一次封裝的LED的發(fā)光光源外直接設(shè)計波浪形光學(xué)透鏡面罩，利用透鏡面罩來達到整個LED路燈發(fā)光光源的二次光學(xué)透鏡的功能。

　　隨著封裝產(chǎn)業(yè)向下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的需求靠攏，中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心還開發(fā)設(shè)計特殊形狀的一次光學(xué)透鏡，在LED芯片封裝時直接安裝，具有體積小、成本低的特點，完全符合LED路燈和道路照明要求（圖一）。

　　隨著封裝技術(shù)的進步，白光LED的封裝方式由單顆1W大功率LED器件逐漸轉(zhuǎn)向大功率集成封裝光源模組。目前的大功率集成封裝光源模組的功率最高可達 100W以上，但這類光源由于發(fā)光面積較大，為光學(xué)配光設(shè)計帶來困難。

　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的紅光增強的大功率白光LED智能控制系統(tǒng)技術(shù)，可以獲得顯色指數(shù)90以上，相關(guān)色溫2500~8000K可調(diào)的光源模 組（圖2）。該技術(shù)利用在封裝基板上集成光電轉(zhuǎn)換芯片，實時監(jiān)控光源模組的白光色度學(xué)參數(shù)，光電轉(zhuǎn)換芯片將探測到的白光色度學(xué)參數(shù)的變化反饋給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算后保證燈具能輸出最優(yōu)色度學(xué)性能的白光，可以保證光源模組輸出保持設(shè)定的相關(guān)色溫范圍和顯色指數(shù)；封裝基板上還集成了溫度傳感芯片來實時探測封裝基板的溫度，實現(xiàn)對大功率LED芯片結(jié)溫的間接監(jiān)控，當(dāng)結(jié)溫超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度時，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)的散熱途徑或降低LED的功率。該光源模組可以由單顆1 W大功率白光LED陣列的方式或大功率集成封裝光源模組的方式組成，已經(jīng)運用在LED路燈上。

　　電源

　　加強驅(qū)動電源可靠性設(shè)計 匹配LED壽命

　　目前主流的LED路燈采用交流電供電，交流電LED路燈存在一個共性問題，就是難以保證驅(qū)動電源壽命與LED的壽命相匹配。因為交流電必須經(jīng)過開關(guān)電源的整流濾波才能變成直流電，而開關(guān)電源中必須采用電解電容來濾波。一般的電解電容壽命只有8000小時，遠遠小于LED的理論壽命50000小時。而且環(huán)境溫度每升高10℃，電解電容的壽命就降低一半，使得整個LED路燈系統(tǒng)的壽命必然會受到電解電容的拖累。因此，制約LED路燈壽命的一個重要因素就是驅(qū)動電源的可靠性設(shè)計。LED路燈在室外環(huán)境下保證電源的可靠工作，一般需要從高效率、高功率 、長壽命、過壓過流、隔離、浪涌、過溫、防護方面、符合安規(guī)和電磁兼容的要求等幾方面進行考慮。

　　對于大功率LED路燈，無論其光源部分采用單顆1 W大功率白光LED陣列方式或大功率集成封裝光源模組方式，其主流的電源驅(qū)動方式是采取恒流驅(qū)動。一般通行的電路結(jié)構(gòu)又由一個恒壓源提供若干個恒流源，每個恒流源單獨驅(qū)動一路串聯(lián)的LED和市電直接轉(zhuǎn)為恒流，LED以串并聯(lián)組合的方式運行兩種。

　　對于采用單顆1 W大功率白光LED陣列的這種方式，恒壓源為傳統(tǒng)的開關(guān)電源架構(gòu)相對成熟；而相配的恒流源部分為直流降壓型，效率能達到95%以上，另外所占的電路空間較小，既可以與恒壓源部分組合在一塊，也可以與LED集成在一起，具有較大的靈活性。每一路LED電流可獨立控制，保證燈具整體發(fā)光一致，但是成本會稍高一點。

　　對于大功率集成封裝光源模組方式，又分為隔離型和非隔離型兩類，前者成本以及效率方面有優(yōu)勢，但由于是非隔離的，供電不穩(wěn)，尤其是晚上電壓較高或雷雨時產(chǎn)生的浪涌，容易造成LED光源連同電源一起損壞。而后者雖然效率較低，電路復(fù)雜度較高，但可靠性得到保證。無論是隔離型還是非隔離型的交流-直流恒流源，由于路燈上的LED數(shù)目由幾十到上百個，所以后端LED要考慮串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合，于是不可避免地使得并聯(lián)各路電流不一致。目前，這兩種方式的電源并存。多路恒流輸出的方式，在性能以及可靠性方面較好，將會是以后LED路燈電源驅(qū)動主流發(fā)展方向。

　　挖掘電池潛力 延長太陽能路燈壽命

　　隨著太陽能這一新能源的發(fā)展，各地的太陽能LED路燈也逐漸興起，太陽能電池的低壓直流、長壽命的特點正好與LED相匹配。但是太陽能LED路燈系統(tǒng)中依然存在壽命瓶頸，就是鉛酸蓄電池。一般的鉛酸蓄電池的壽命為500個充電循環(huán)，大概在2年左右，約5000小時。中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的智能充放電智能控制器，可以使得鉛酸蓄電池的壽命達到1500次循環(huán)。

　　傳統(tǒng)的太陽能路燈充電系統(tǒng)中，通常經(jīng)過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，將導(dǎo)致太陽能板的工作點偏移最大功率點(Maxim Power Point，簡稱MPP)而未有效利用太陽能板的可輸出功率，同時容易使蓄電池因供能不足而長期處于欠充滿狀態(tài)，造成壽命縮減。中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的太陽能LED路燈系統(tǒng)利用太陽追蹤(Sun Tracking)和最大功率追蹤(MPP Tracking，即MPPT)技術(shù)，可使太陽電池的輸出穩(wěn)定在MPP附近，從而有效利用了太陽能板可輸出的最大功率。

　　智能調(diào)光系統(tǒng)靈活調(diào)整光輸出　降低能耗

　　傳統(tǒng)高壓鈉路燈，只能實現(xiàn)小范圍的調(diào)光控制，比如關(guān)閉一側(cè)或間隔關(guān)閉路燈，不可避免地帶來照明形態(tài)的改變，容易造成安全隱患。LED路燈則可實現(xiàn)0-100%連續(xù)調(diào)光，可根據(jù)環(huán)境光照及交通狀況靈活調(diào)整光輸出，在保證照明質(zhì)量的同時降低不必要的功耗。中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的LED路燈的智能調(diào)光系統(tǒng)能方便地控制LED的工作狀態(tài)，并通過改變驅(qū)動電流來控制其亮度。比如在進入下半夜后，通過降低整燈電流或關(guān)閉燈具內(nèi)部分LED發(fā)光組件來達到低功率運行，達到節(jié)能的效果。

　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心還把Zigbee無線通訊控制技術(shù)應(yīng)用在LED路燈系統(tǒng)上。Zigbee無線控制系統(tǒng)的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種容易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議棧簡單緊湊、省電、可靠、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點（圖3）。Zigbee收發(fā)模塊集成在每一個LED路燈上，并通過接力的方式，把所有的信息匯集在終端上，從而實現(xiàn)在終端對每個LED路燈的運行情況進行有效的監(jiān)控，發(fā)揮系統(tǒng)控制、故障排除和防盜的功能。

　　散熱

　　優(yōu)化散熱和熱管理控制系統(tǒng)

　　LED在正向電壓下，電子在電場的驅(qū)動下克服p-n結(jié)的電場，由n區(qū)躍遷到p區(qū)并與p區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于躍遷到p區(qū)的自由電子具有高于p區(qū)價電子的能量，復(fù)合時電子回到低能量態(tài)，多余的能量以光子的形式釋放，輻射出來的光還需經(jīng)過芯片本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界。

　　綜合考慮電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素，對于100 lm/W的LED只有約30％的電能轉(zhuǎn)化為光能，其余的能量則轉(zhuǎn)化為熱能，使LED芯片溫度升高。對于LED芯片，如果熱量不能有效散出，會導(dǎo)致芯片的溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉效率下降。

　　隨著p-n結(jié)的溫升，LED芯片的發(fā)射波長將發(fā)生紅移，導(dǎo)致YAG熒光粉激發(fā)效率下降，總的發(fā)光強度降低，白光色度漂移。當(dāng)溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升。器件溫度每上升2℃，可靠性將下降10％。為了保證器件的壽命，一般要求p-n結(jié)的結(jié)溫在90 ℃以下。當(dāng)多個LED密集陣列或集成封裝時，系統(tǒng)散熱問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為LED路燈的先決條件。

　　如何提高LED路燈的散熱能力是LED封裝和LED路燈設(shè)計的核心問題。LED路燈散熱問題分為芯片p-n結(jié)到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到外界環(huán)境三個層次。這三個環(huán)節(jié)構(gòu)成了熱傳導(dǎo)的通道。針對LED的散熱難題，中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心分別以下各個層面對散熱和熱管理系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

　　芯片p-n結(jié)到外延層的散熱：在氮化鎵材料的生長過程中，改進材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生長參數(shù)，獲得高質(zhì)量的外延片，提高器件內(nèi)量子效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生，加快芯片p-n結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)。

　　外延層到封裝基板的散熱：在芯片封裝上，采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、共晶焊封裝（圖4）、金屬線路板結(jié)構(gòu)。在器件封裝上，選擇合適的基板材料，比如金屬印刷電路板(MC-PCB)、陶瓷、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的封裝基板，以加快熱量從外延層向封裝基板散發(fā)。

　　封裝基板到外界環(huán)境的散熱：目前的LED路燈一般是將大功率白光LED通過回流焊的方式陣列焊接在金屬封裝基板上，然后再把金屬封裝基板緊密安裝在大體積的鋁、銅材料的散熱翅片上。大功率白光LED產(chǎn)生的熱量通過金屬封裝基板傳遞到散熱翅片上，利用自然對流或人為強制對流的方式達到散熱的目的。

　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心針對大功率集成封裝光源模組的熱量大而集中的特點，將大功率集成封裝光源模組安裝在均溫板上，利用均溫板的快速擴散熱量的性能將LED產(chǎn)生的熱量快速橫向擴散；在散熱翅片部分還采用熱管（直型熱管、回路熱管和脈沖熱管）來降低加強熱傳導(dǎo)和降低熱阻（圖5）；在LED路燈的腔體中產(chǎn)生人工強制對流的方式來加強對流散熱。

　　綜上所述，引導(dǎo)LED路燈發(fā)展的技術(shù)支撐將體現(xiàn)在基于共晶焊技術(shù)的大功率集成封裝光源模組方式；一次光學(xué)透鏡；高顯色指數(shù)和色溫可調(diào)的白光智能控制系統(tǒng)；長壽命驅(qū)動電源； LED路燈結(jié)溫智能控制系統(tǒng)； Zigbee無線通訊控制技術(shù)；基于熱管技術(shù)的系統(tǒng)散熱和熱管理控制系統(tǒng)等幾個方面。

　　隨著能源價格的高企、能源危機的加劇和人類環(huán)保意識的提高，LED照明憑借其節(jié)能和環(huán)保的特點受到了越來越大的關(guān)注。目前，LED在路燈照明和室內(nèi)照明等普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用剛處于起步階段，受2008年北京奧運會和2010年上海世博會的推動，大功率白光LED的發(fā)光效率即將突破150 lm/W將是LED進入普通照明的絕佳時機，隨著單位流明價格的降低，LED路燈將全面取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)路燈。屆時，全球的LED路燈的需求將達上億只，僅中國的需求就要達到上千萬只，產(chǎn)值將達上千億元。