雖然住宅應用的固態照明成為頭條新聞，但商業和工業高棚照明應用的獨特定位是利用LED的優勢。高棚照明由天花板安裝的燈具組成，設計用于照亮距離燈具15至25英尺的表面。使用高棚照明的環境遠遠超出倉庫和工廠車間，包括機場大廳，體育場館和雜貨店等公共場所。通常，設施每天24小時都在運行，因此LED可以在運營成本和最小化停機時間方面節省大量成本。為了開發利用這些特性的燈具，照明設計師不僅需要選擇合適的發射器，還必須采用系統級方法來解決以LED為中心的挑戰，如驅動器設計和熱管理。

Designlights聯盟1已為非住宅固定裝置制定了以下規范。

高棚/低棚燈具高棚過道照明最小光輸出（lm）10,000 10,000區域流明強度≥30％：20-50°≥50 ％：20-50°
≥30％：0-20°最低燈具效率（lm/W）70 60允許的相關色溫≤5,700K≤6,500K

表1：非住宅燈具的照明規格。

設計挑戰

高棚照明給設計師帶來了許多挑戰。高輸出流明規格需要大量的LED陣列，這會產生大量的熱量。驅動程序拓撲必須能夠處理數百個設備，同時保持輕量，經濟且盡可能高效。靠近天花板，通常靠近HVAC管道，固定裝置可能承受高于正常的環境溫度，幾乎沒有空間進行對流冷卻。此外，許多設施對光分布有非常具體的要求，這可能需要光束整形元件。

高棚照明的最初趨勢是朝向更少數量的高亮度LED。后來，設計人員開始切換到非常大的低功率LED陣列，降低了成本和散熱。然而，這些好處付出了代價：使用更多的LED會使驅動器設計復雜化并增加故障點。目前，趨勢似乎正在回歸使用高亮度設備，如Cree的XM-L。 XM-L在100 lm/W時產生高達1,000 lm的壓力。它的熱阻為2.5°C/W，簡化了熱量管理，125°視角可以更容易地產生所需的光分布。

確定達到目標所需的器件數量來自燈具Lf的流明，用戶需要首先確定光學和熱損耗后Lreq所需的總流明：

Lreq = Lf/（EoET）

其中Eo是光學效率，ET是熱效率但是，僅僅選擇LED的數量是不夠的。

特別是對于高棚照明應用，必須將燈具設計作為系統級任務，從一開始就考慮電源和驅動器設計，光學設計和熱管理。例如，在他們最終完成LED陣列之后推遲考慮當前光源的設計人員冒著無法找到合適電子設備的風險，這種錯誤會增加成本并延遲上市時間。

陣列可以由兩種類型的驅動程序驅動：集成，單級驅動程序和雙級驅動程序。單級驅動器在一個單元中集成了AC/DC電源和LED驅動器。例如，來自Recom Power的RACD60系列單級LED驅動器可以產生高達4.2 A的電流，精度為±5％，可驅動多達6個XM-L器件。這些單元可用作恒定電壓或恒定電流源，并提供優于0.9的功率因數校正。

雖然單級驅動程序具有簡單的優點，但它們可能很大。兩級設計可為尺寸和重量都很重要的高棚燈具提供更好的解決方案。兩級設計涉及連接到一個或多個LED驅動器的單獨DC電源或變壓器。該方法提供更嚴格的電流控制，提供精確的輸出，效率高于90％。例如，Recom的RCD48系列驅動器可以產生高達1.2 A的輸出電流，效率高達96％。與RACD60開放式框架版本相比，32.6 x 16.7 x 11.2 mm設備能夠提供高達60 V的電壓，小到足以與LED集成在電路板上，尺寸為101.6 x 50.8 x 20.0 mm。兩級驅動器的主要缺點是成本。

熱管理仍然是該技術面臨的最大挑戰之一。 LED可以消耗多達50％的輸入功率作為熱量，而驅動器電子設備可以消耗多達20％的功率。如果組件在電路板上包裝得太緊或者電路板沒有與外包裝緊密耦合，則熱量會迅速增加。高棚固定裝置通常安裝在天花板上，通常靠近HVAC管道。根據操作和季節，環境溫度可以飆升至55°C。

集成散熱器等散熱管理工具至關重要。選擇能夠在應用所呈現的條件下存活的組件也很重要。例如，Lumex公司的TitanBrite 10 W在1A驅動電流下平均產生600流明，并且可以承受高達90°C的工作溫度（圖1）。

圖1：在25°C時至少輸出490 lm，TitanBrite 10W可在很寬的溫度范圍內工作。 （由Lumex提供。）

Cree LED允許用戶通過溫度焊點結監測器件的熱量，并且與器件的結溫有很好理解的關系。通過將熱電偶連接到焊點結點，用戶可以監控其器件的結溫。

調光功能可用于熱保護。通過增加一個簡單的熱敏電阻電路，可以設置一個系統，當溫度上升到一定水平以上時，減少驅動電流到燈具中的一個或多個LED燈串（圖2）。調光元件成本為1美元或2美元，這對于燈具來說是可以接受的，可以從幾百美元到超過1000美元。

圖2 ：在驅動電路中添加熱敏電阻（左）會導致熱量超過一定水平時自身降速（右）。電路中電阻的典型值在25°C時RT =100kΩ。要在75°C下開始降額，請使用R1 =47kΩ;要在85°C時開始降額，請使用R1 =33kΩ。 （由Recom Power提供。）

基于LED的燈具具有很大的靈活性，這對于高架應用非常重要。在運輸和接收設施中，顯色性很可能無關緊要，但在銷售家居用品或服裝的零售盒商店中必不可少。隨著核心陣列中LED的變化，相同的燈具可用于在雜貨店生產部門展示水果和蔬菜，并照亮機場到達大廳。

光學設計提供了另一種自由度。例如，在倉庫應用的情況下，照明圖案需要是長而矩形的，而不是圓形的，以便將輸出集中在過道中而不是浪費流明照亮貨架頂部的流明。即使對附近的燈具來說，這也是一個困難的伎倆;對于位于20英尺高處的高棚燈，這是一項重大挑戰。

高強度放電燈和熒光燈等現有技術可以各向同性地發光。今天的LED主要是在感興趣的方向上發光，但遠沒有過去那么緊密。例如，歐司朗光電半導體的OSLON Square在120°視角下可提供200流明的亮度。通過調整燈具中的LED模式并添加光束整形光學元件，照明設計師可以創建所需的精確光分布，如Cree的這種高架參考設計所示（圖3）.2更好的是，光束整形根據應用的不同，可以將光學器件切換出來以產生不同的分布或完全停止。

圖3：測試顯示原型生成的輸出分布（左） LED高棚燈具2無（中心）和（右）光束整形光學元件。 （由Cree提供。）

結論

基于LED的高棚燈具設計合理，可為商業和工業應用提供巨大優勢。通過在設計過程開始時考慮電氣，熱學和光學要求，照明工程師可以開發出能夠以最低價格提供性能和靈活性的高效產品。