LED照明系統設計指南六步驟

本文詳細討論LED照明系統設計的六個設計步驟：(1)確定照明需求；(2)確定設計目標估計光學；(3)熱和電氣系統的效率；(4)計算需要的LED數量；(5)對所有的設計可能都予以考慮，從中選擇最佳設計；(6)完成最后步驟。雖然本文以一個室內照明設計為例，但所述的設計過程可以用于任何LED照明設計中。

現在的照明應用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用壽命、色溫以及白點穩定性。因此，絕大多數普通照明應用設計中都采用這類LED，包括路面、停車區以及室內方向照明。在這些應用中，由于無需維護(因為LED的使用壽命比傳統燈泡的要長得多)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光的燈。美國能源部(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，這類燈所產生光的一半都浪費到燈具內了。

相反，照明級LED具有至少50,000小時的高效、方向性照明。利用照明級LED的所有優點設計的室內照明有以下優點：

1 功效超過所有白熾燈和鹵素燈具
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5到50倍
4 降低光對環境的影響：不含汞、電站污染小、垃圾處理費用低。

照明還是燈？

在普通照明中設計LED需要在兩種方法間作出選擇，是設計基于LED的完整的照明，還是設計安裝到已有燈具上的基于LED的燈。一般來說，一個完整的照明設計，其光學、熱和電氣性能要好于式樣翻新的燈，因為現有燈具不會約束設計。對目標應用，到底是新照明的總體系統性能重要還是式樣翻新的燈的方便性更重要，這要由設計師來決定。

針對已有照明的設計方法

如果目標應用采用構造新型LED照明更好，那么就設計照明的光輸出，使其相當于或者超過現有照明匹配具有多種優點。首先，現有設計已經針對目標應用進行了優化，可以在圍繞有關光輸出、成本和工作環境而確定設計目標時提供指導。其次，現有設計的外形尺寸已經得到認可。如果外形尺寸相同，終端用戶轉換成LED照明更容易一些。

遺憾的是，有些LED照明制造商錯誤報告或者夸大了LED照明的效率和使用壽命特性。在CFL替換燈泡的早期的數年，照明業也遇到了類似問題。行業標準的缺乏，以及早期產品質量的巨大差異將CFL技術的采用推遲了很多年。美國能源部意識到了早期LED照明也可能存在相同的標準和質量問題，并且這些問題可能以類似的方式延遲了LED照明的使用。作為應對措施，美國能源部發起了“DOE SSL商用產品測試計劃(CPTP)”，對LED照明制造商聲稱的指標進行測試。該計劃以匿名方式測試LED照明的下列4個特性：照明光輸出(流明)、

照明效率(流明每瓦)、相關色溫(開氏度)、顯色指數。

DOE的CPTP將關注點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LED照明設計設定了一個很好的先例。

燈的概念可能過時了

LED光的使用壽命很長，這就可能使燈的概念變得過時了。照明級LED不會像電燈泡那樣出現災難性失效。相反，照明級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5萬小時的使用壽命，也就是說連續點亮5.7年！

不過，在大多數照明環境下，燈有規律地熄滅。這一熄滅期足足可以將LED的使用壽命延長到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LED照明技術下的照明將更亮、效率更高，與老式LED照明相比很可能要節省TCO。

不要忘記： LED照明的這5萬小時使用壽命避免了多少對環境的影響。送往填埋場的白熾燈泡至少要少25倍,并且能源消耗量要少5倍。(美國約50%的能源來自燃煤，而燃煤會給空氣中釋放汞)。或者，送往處理的含汞C燈泡至少減少5倍。

如前面提到的，不用維護是LED照明的一個重要優點。因此，設計LED照明，使其使用壽命最長并節省TCO是一個應對LED照明原始成本高這一障礙的極佳策略。

表1列出了設計大功率LED照明的一般步驟。本文的其余部分依次討論這些設計步驟。為了更好地說明這些設計概念，本文給出了一個LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計算例子。不僅對本例，對所有類型照明，本設計步驟都可重復使用。

步驟一：確定照明需求

LED照明必須滿足或超過目標應用的照明要求。因此，在建立設計目標之前就必須確定照明要求。對于某些應用，存在現成的照明標準，可以直接確定要求。對其它應用，確定現有照明的特性是一個好方法。

表2列出了確定現有照明特性時要考慮的主要特性。光輸出和功率特性始終很關鍵，而根據應用的不同，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據文件或文檔，詳細給出其各種燈具的關鍵特性。“潛在關鍵”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，由設計師確定現有照明的特性。

圖1說明了例中CFL嵌頂燈的關鍵特性。

表3給出了現有照明的全部特性。

步驟二：確定設計目標

照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設計目標了。與定義照明要求時一樣，關鍵設計目標與光輸出和功耗有關。確保包含了對目標應用也可能重要的其它設計目標，包括工作環境、材料清單(BOM)成本和使用壽命。

表4以LED照明為例列出的設計目標。

步驟三：估計光學系統、熱系統和電氣系統的效率

設計過程中最重要的參數之一是，需要多少個LED才能滿足設計目標。其他的設計決策都是圍繞LED數量展開，因為LED數量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。

查看LED數據手冊列出的典型光通量，用該數除設計目標流明，這種方法很誘人。然而，此方法太簡化了，依此設計將滿足不了應用的照明要求。

LED的光通量依賴于多種因素，包括驅動電流和結溫。要準確計算所需要的數量，必須首先估計光學、熱和電氣系統的無效率。以前原型機設計的個人經驗，或者本文提供的例子數量，都可以作為指南來估計這些損失。本節對估計這些系統損失的過程進行簡述。

光學系統效率

通過考察光損失估計光學系統的功效。要估計的兩種主要的光損失源為：

1.次級光學器件

次級光學器件是不屬于LED本身的所有光學系統，如LED上的透鏡或擴散片。與次級光學器件相關的損失根據使用的特定元件的不同而變化。通過各次級光元件的典型光學效率在85%和90%之間。

2．燈具內的光損失

當光線在到達目標物之前，打到燈具罩上時，就產生了燈具光損失。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回燈具。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，可達到的效率比全方向照明可能達到的要高得多。

對示例中的照明，如果照明需要次級光學器件，則只存在次級光損失。次級光學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的光束角度與目標燈具的光輸出圖像進行了比較。裸LED的光束角度與目標燈具的非常相似，所以不需要次級光學器件。因此，對本示例照明，不存在次級光學器件引起的光損失。

要計算本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，光學效率為：

熱損失

LED的相對通量輸出隨著結溫的上升而降低。大多數LED數據手冊都列出了25℃下的典型光通量值，而大多數LED應用都采用較高的結溫。當結溫Tj > 25℃時，光通量肯定比LED數據手冊給出的值差。

LED數據手冊中有一個曲線，給出了相對光輸出與結溫的關系，例如如曲線3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線通過選擇特定相對光輸出或者特定結溫，給出了其它特性值。

對本CFL示例，其照明只是為屋頂通風的商業建筑設計的。本設計基于所列的設計目標，對光輸出、功效和使用壽命的優先次序進行了劃分。

XLamp XR-E LED額定為5萬小時后提供平均70%的流明維持率，結溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合適結溫為80℃。對應的最小相對光通量為85%，如曲線3所示。這一85%相對光通量是對本例照明熱功效估計的值。

電氣損失

LED驅動電子設備將可用功率源(如墻體插座交流電或電池)轉換成穩定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會達到100%。驅動器中的電氣損失降低了總體照明效能，因為把輸入功率浪費在發熱上了，而沒有用在發光上。在開始設計LED系統時，就應考慮到電氣損失。

典型LED驅動器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅動器的成本要高得多。要注意，驅動器效率可能隨輸出負載而變化，如曲線4所示。應指定驅動器工作在大于50%輸出負載下，以使效率最大，并使成本最低。

曲線4示例的LED驅動器效率與負載的關系

對于室內應用，驅動器效率87%的估值很好。室外用或非常長的使用壽命的驅動器，效率可能要低一些。

表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統的效率。

步驟四：計算需要的LED數量

實際需要的流明量

所有系統效率估算好之后，就可計算要達到設計目標需要的實際LED流明數。對本計算，只使用光效率(光學和熱)。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。根據應用的不同，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優先考慮的設計目標，本照明以XLamp XR-E數據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數量

工作電流確定之后，就可以計算各LED的流明輸出數了。由于LED的熱損失已經在實際需要的流明數計算中考慮到了，故LED供應商文檔給出的數量可以直接使用。

對本計算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數據手冊給出的典型數量。大多數LED公司根據最小通量范圍銷售。根據此最小數來設計，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的數量計算如下。

LED的數量=實際所需的流明數/每個LED的流明數＝1,050 lm / 67.2 lm=16個LED

步驟五：考慮所有設計可能并選擇最佳設計

LED數計算好之后，考慮滿足設計目標的所有設計可能。由于每個LED都是一個小照明，比傳統照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規設計元件一起集成到照明中。設計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學器件來構造原始設計，。

同時不要忘記，有許多不同規則限制著設計的選擇。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則的例子。

本節的其余部分對本示例LED照明的各系統(光學、熱和電器)的3個選項進行說明。對每個系統，給出了最佳選項的選擇指南。

光學系統選項

1．裸LED和現有燈反射器

如前面所述，現有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器件。本選項可使成本最低，并且系統光損失最小。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。

缺點是會出現多照明陰影效應，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．帶有次級光學器件的LED和現有燈反射器

次級光學器件是除LED初級光學器件外附加的光學元件，用于對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學器件類型為反射(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)。次級光學器件可以通過購買標準件、現成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設計定制。

每個LED使用一個次級光學器件，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，為點照明優化照明，而不是為普通照明優化。

這種方法有幾個缺點。首先，因為增加了元件并且裝配較復雜,所以照明的成本較高。其次，由于光學器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級光學器件會降低光學系統的功效。

3．裸LED，現有的燈反射器和漫射器

不是每個LED都使用一個光學器件，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。

選項2的缺點是成本較高，并且光學系統的功效低。由于漫射器只能發散光，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、多源陰影效應和美觀度通常決定了光學系統的選擇。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。

另外，用戶查看選項1和2時，會發現單個的LED，而使用選項3的用戶只能看見一個發散而均勻的照明。

多源陰影效應

多源陰影效應是當物體位于多個照明之間時，表面出現多個陰影的現象。大多數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。

布局很近的LED將產生多個相互接近的陰影。在目標應用中，這些接近的陰影的出現可能不受歡迎。設計師要決定，對目標應用，多陰影效應的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應而帶來的額外光學損失是否值得。

熱系統選項

1．現有燈具罩

最低成本選項是將現有設計的燈具罩作為LED照明的罩和散熱片來重新使用。

新照明設計顯然不能選擇這一選項。另外，多數現有罩都是鋼制的，熱導性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

2．現成的散熱片

另一個選項是購買現成的散熱片。這種現成的散熱片設計經過驗證，制造商有完整的技術指標。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標應用而優化。

3．定制散熱片

定制方案為應用提供了優化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。

這一選項需要設計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設計經驗的第三方來協助。加工和制造費用可能使定制散熱片的單位成本高于現成設計的成本。

目標照明的成本、可用的散熱片開發時間以及目標最高環境溫度常常決定了熱系統的選擇。一般來說，在降低成本比最高環境溫度更重要的情況下,選項2更好。在最高環境溫度更重要的情況下, 選項3更優(如室外照明或條件不好的室內照明)。

例子中的LED照明使用熱阻為0.47℃/W萬的現成散熱片。使用這一散熱片熱阻值，最高環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結溫，Ta 為環境溫度，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×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℃

對本室內應用，例中照明的最高環境溫度62℃可以接受。對需要最高環境溫度更高的工作環境，既可以提高最大結溫(可能影響使用壽命)，也可以改進熱系統(Rth b-a )(例如選擇更好的散熱片)。

電氣系統選項

1．現成的LED驅動器

由于現成LED驅動器已經可以使用了，并且有參考電路設計，所以，使用現成的LED驅動器將使設計時間最快。對所有零件都進行電磁干擾(EMI)和安規測試，并且一般來說，批量情況下每單位的成本最低。

缺點是現有LED驅動器效率通常在80%中間范圍。根據銷售商和應用的不同，使用壽命和工作溫度也可能是個問題。

2．下一代LED驅動器

隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導體公司都在將注意力轉向優化LED設計。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅動器開發進行合作，這樣效率更高，并且能獲得管理部門的完全認可。

不過，等待產品開發可能推遲LED照明的開發。另外，小一些的公司可能無法找到驅動器公司來一起開發未上市的產品。

3．定制設計

對于熱設計，可以選擇完全定制電氣系統。可能比使用現成零件達到的效率高，但有許多潛在缺點。

開發和認證批準由設計師承擔。即使在開發之后，每單位成本也可能高于現有方案。另外，不要忘記，在LED照明開發期間，驅動器公司會一直開發效率更高且更廉價的驅動器。

可以利用的開發資源和目標效率通常決定了電氣系統的選擇。在目前的大功率LED環境下，總照明效率的提高受LED本身的影響比受驅動器的影響要大。盡快完成產品可能比試圖等電氣設計更完美后要有利。

步驟六：最后步驟

表8詳細給出了構建和評估原型照明的最后步驟，一旦作出設計決定，可按照該步驟來完成。

從哪里得到幫助

整個LED照明設計步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到最終設計的Cree目前的合作伙伴的聯系方法。