一個典型的LED燈具設(shè)計范例，其中包括了電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)的模擬計算。大功率LED光源決定了大功率LED燈具的最終光通量，因此，選擇高質(zhì)量的適配光源是燈具的基礎(chǔ)。LED芯片的研發(fā)固然重要，但燈具的設(shè)計和研發(fā)同樣不容忽視。大型照明燈主體照明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括以下三種設(shè)計：

①芯片外加光學(xué)系統(tǒng)得到適宜應(yīng)用的一次光學(xué)設(shè)計，它由LED器件的生產(chǎn)商完成。

②將一次光學(xué)設(shè)計的單只LED裝入一個量身定做的透鏡中，得到需要的定向光束，這就是所謂的二次光學(xué)設(shè)計，得到滿足單只光學(xué)需求的LED組件。

③將若干個二次設(shè)計完成的LED組件合并成一個有相當(dāng)規(guī)模、滿足照明要求配光曲的燈具，這就是LED的三次光學(xué)設(shè)計。

在LED光源的產(chǎn)品中，大多數(shù)產(chǎn)品，例如路燈、光柱、草坪燈、地埋燈、裝飾燈等，均是用市電供電，這就要求在這些燈具中設(shè)置AC／DC轉(zhuǎn)換電路，以適應(yīng)LED電流驅(qū)動的特征。以光柱為例，為了便于建筑上的安裝與設(shè)置，需要在數(shù)十米長的光柱間相互對接而只能用一個電源接人點，因此每根光柱內(nèi)要設(shè)置一個既能獨立工作又能相互對接的獨立電源。這個電源既要有一定的供LED所需的恒流的正向電流輸出，又要有較高的變換效率，否則就會失去LED節(jié)能的優(yōu)點。另外，成本低也十分重要，可選擇開關(guān)電源、高頻電源、電容降壓后整流電源等多種，根據(jù)電流穩(wěn)定性，對瞬態(tài)過沖以及安全性、可靠性的不同要求作不同選擇。

制作可以放置在E-27標(biāo)準(zhǔn)燈頭內(nèi)的高頻電源和開關(guān)電源，使LED的供電十分安全可靠，電源效率達90％，內(nèi)置這類電源的LED燈具，可以適應(yīng)交流85～240V的工作電壓范圍，而燈內(nèi)LED的電流基本不變。電源是影響LED光源可靠性和適應(yīng)性的一個重要組成部分，必須慎重考慮。

LED光源產(chǎn)品另一個重要考慮因素是LED器件的可靠性，作為半導(dǎo)體器件，LED的失效模式研究對評估LED光源的壽命十分重要。LED器件同樣符合“浴盆曲線”這一失效規(guī)律，因此如何篩選早期失效器件——即“加速”壽命試驗方法的研究顯得尤為重要。提高LED發(fā)光效率，改善散熱特性，是LED光源發(fā)展中必須解決的問題之一，與此同時，在行業(yè)協(xié)同下開展LED可靠性研究，規(guī)范器件老化篩選標(biāo)準(zhǔn)，是解決LED光源在應(yīng)用中遇到的一些問題的有效途徑之一。1．確定照明需求和設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計目標(biāo)是基于現(xiàn)有燈具的性能，或是基于應(yīng)用的照明需求。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)計目標(biāo)之前就必須確定照明要求。對于某些應(yīng)用，存在現(xiàn)成的照明標(biāo)準(zhǔn)，可以直接確定要求。對于沒有照明標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，可先確定現(xiàn)有照明特性后，在確定應(yīng)用的照明需求。照明燈具的光輸出和功率特性是確定現(xiàn)有照明特性關(guān)鍵，根據(jù)照明燈具提供的技術(shù)參數(shù)，可獲得各種燈具的關(guān)鍵特性，由此確定現(xiàn)有照明的特性。

照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設(shè)計目標(biāo)了。設(shè)計目標(biāo)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用照明需求而定。并應(yīng)列出影響設(shè)計的所有其他目標(biāo)，如特殊光要求、耐高溫要求等。與定義照明要求時一樣，關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)與光輸出和功耗有關(guān)。設(shè)計目標(biāo)應(yīng)包括工作環(huán)境、材料清單(BOM)成本和使用壽命。2．估計光學(xué)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率

設(shè)計目標(biāo)會對光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)產(chǎn)生限制，根據(jù)這些限制對各系統(tǒng)的效率進行估計，將照明目標(biāo)和系統(tǒng)效率結(jié)合起來，能確定照明需要的LED數(shù)量。設(shè)計過程中最重要的參數(shù)之一是需要多少只LED才能滿足設(shè)計目標(biāo)。其他的設(shè)計決策都是圍繞LED數(shù)量展開的，因為LED數(shù)量直接影響到光輸出、功耗以及照明成本。

查看LED數(shù)據(jù)手冊列出的典型光通量，用該參數(shù)除以設(shè)計目標(biāo)所需的流明值，依據(jù)此設(shè)計方法將滿足不了應(yīng)用的照明要求。因為LED的光通量依賴于多種因素，包括驅(qū)動電流和結(jié)溫。要準(zhǔn)確計算所需要的數(shù)量，必須首先估計光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的效率。

(1)光學(xué)系統(tǒng)效率

通過分析光損失估計光學(xué)系統(tǒng)的效率。要分析的兩種主要光損失為：

①次級光學(xué)器件光損失。次級光學(xué)器件是不屬于LED本身的所有光學(xué)系統(tǒng)，如LED上的透鏡或擴散片。與次級光學(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。各次級光元件的典型光學(xué)效率在85％～90％之間。如果照明需要次級光學(xué)器件，則存在次級光損失。

②燈具內(nèi)的光損失。當(dāng)光線在到達目標(biāo)物之前，打到燈具罩上時，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光源的布局、燈具殼的形狀及燈具罩的材料決定。LED光具有方向性，可達到的效率比全方向照明光源可能達到的要高得多。

次級光學(xué)器件的主要目的是改變LED的光輸出圖像。圖4—20將CreeXIampXR—ELED的光束角度與目標(biāo)燈具的光輸出圖像進行了比較。裸LED的光束角度與目標(biāo)燈具的非常相似，所以不需要次級光學(xué)器件，因此，不存在次級光學(xué)器件引起的光損失。只需計算燈具損失，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：

η=(100％×40％)+(85％×60％)=91％

(2)熱損失

LED的相對光通量輸出隨著結(jié)溫的上升而降低，大多數(shù)I,ED數(shù)據(jù)手冊都列出了25℃下的典型光通量值，而大多數(shù)LED應(yīng)用都采用較高的結(jié)溫。當(dāng)結(jié)溫Tj>25℃時，光通量肯定比LED數(shù)據(jù)手冊給出的值低。

LED數(shù)據(jù)手冊中有一個曲線，給出了相對光輸出與結(jié)溫的關(guān)系，XLampXR—E白色LED結(jié)溫對應(yīng)光通量減少曲線，如圖4—21所示。該曲線通過選擇特定相對光輸出或特定結(jié)溫，給出了其他特性值。

XLampXR—ELED在額定工作了50000h后提供了平均70％的流明維持率，結(jié)溫保持在80℃以下，因此，最高合適結(jié)溫為80℃。對應(yīng)的最小相對光通量為85％，如圖4—21所示。這一85％相對光通量是對照明熱功效的估計值。

(3)電氣損失

LED驅(qū)動器將可用功率源(如墻體插座交流電或電池)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會達到100％。驅(qū)動器中的電氣損失降低了總體照明效率，因為有部分輸入功率浪費在發(fā)熱上了，而沒有用在發(fā)光上。在開始設(shè)計LED系統(tǒng)時，就應(yīng)考慮到電氣損失。

典型LED驅(qū)動器的效率在80％～90％之間。效率高于90％的驅(qū)動器的成本要高得多。驅(qū)動器效率可能隨輸出負(fù)載而變化，如圖4—22所示。應(yīng)指定驅(qū)動器工作在大于50％輸出負(fù)載下，以使其效率最大、成本最低。對于室內(nèi)應(yīng)用，驅(qū)動器效率為87％的估值較好。室外用或非常長的使用壽命的驅(qū)動器，效率可能要低一些。3．計算需要的LED數(shù)量

(1)實際需要的流明量

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)和估計的損失程度，可以計算滿足設(shè)計目標(biāo)的LED數(shù)量。所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計算要達到設(shè)計目標(biāo)需要的實際LED流明數(shù)。因電氣效率只影響總功耗和燈具效率，而不影響照明的光輸出量。實際流明Bs的計算如下：

Bs=BM/(ηGxηR)

(4—6)式中，Bs為實際流明；BM為目標(biāo)流明；ηG為光學(xué)效率；ηR為熱效率。

(2)工作電流

另一個需要確定的是LED的工作電流，LED的工作電流對確定LED照明的效率和使用壽命很關(guān)鍵。因增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需要的LED數(shù)量。而增加工作電流同時也帶來了多個缺點：

①工作電流提高，LED在壽命期內(nèi)的光輸出會下降，一般電源尺寸大小將隨著工作電流的提高而增大，因為產(chǎn)生相同的流明數(shù)需要的功率更大。

②最高環(huán)境溫度降低或使用壽命縮短。電流的提高將增大LED結(jié)和LED熱通道的溫差，實際上，由于已經(jīng)確定了最高結(jié)溫，因此這樣可以降低照明的最高環(huán)境溫度，反之，如果最高環(huán)境溫度不是降低而是升高，則在LED的使用壽命期內(nèi)，光輸出下降會更快。

根據(jù)應(yīng)用的不同，考慮到每個LED流明輸出值會更高，這些缺點是可以接受的。使用壽命和功效是應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計目標(biāo)，XLampXR-E數(shù)據(jù)手冊所列的1w的LED最小工作電流為350mA，采用該值可最大限度提高LED功效并延長使用壽命。

(3)LED數(shù)量

工作電流確定之后，就可以計算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實際需要的流明數(shù)計算中考慮到了，故可以直接使用LED供應(yīng)商提供的技術(shù)參數(shù)。

在設(shè)計中應(yīng)使用LED技術(shù)參數(shù)中的最小光通量，而不是LED技術(shù)參數(shù)中給出的典型值。根據(jù)此最小光通量來設(shè)計，可確保設(shè)計能滿足目標(biāo)要求。若使用4000KCCT的XLampXR-ELED，350mA時的最小光通量為67.2lm。LED的數(shù)量SLED計算如下：

SLED=Bs／BD=10501m／67.2lm=16只式中，SLED為LED的數(shù)量；Bs為實際流明；BD每只LED的流明數(shù)。4．選擇最佳設(shè)計

LED數(shù)量計算好之后，應(yīng)考慮滿足設(shè)計目標(biāo)的所有設(shè)計可能。由于每只LED都是一個照明光源，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設(shè)計元件一起集成到照明系統(tǒng)中。設(shè)計中可以充分利用I,ED光的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件來完善初步設(shè)計。

(1)光學(xué)系統(tǒng)選項

LED燈具的光學(xué)二次設(shè)計在整個燈具設(shè)計的過程中扮演了非常重要的角色，在整個燈具的整體設(shè)計流程中應(yīng)該是優(yōu)先考慮的一環(huán)節(jié)。常用反射式LED二次光學(xué)設(shè)計有：

①LED二次光學(xué)器件的主要優(yōu)點是能保證高的燈具效率，結(jié)構(gòu)相對簡單、安裝方便。反射器的設(shè)計主要是利用各種二次曲線獨立或組合成反射器母線，并在反射面鍍上反射率高的銀，鋁或鉻等材料。這種結(jié)構(gòu)中有接近50％的光線是直接射出，而經(jīng)過反射面反射的光線也能通過膜層反射率的控制減小吸收損失，因此反射式器件能實現(xiàn)較高的燈具效率。

但LED是向半空間發(fā)光的光源，一般結(jié)構(gòu)反射器對光源包絡(luò)角有限，不易實現(xiàn)寬角度的“蝙蝠翼”配光，需要多列反射器依一定角度來排列配合，或者改變反射器和光源的相對位置增大反射器包絡(luò)角。前一種解決辦法需要優(yōu)化燈具底座結(jié)構(gòu)和LED發(fā)光陣列的配合，而后一種方式要求反射器曲面形狀的設(shè)計趨于精細，有時應(yīng)考慮采用自由曲面反射器，以滿足配光要求。

②折射式的二次光學(xué)設(shè)計。在對路面均勻度有較高要求的場合，可考慮采用基于配光透鏡的二次光學(xué)設(shè)計。配光透鏡的功能是在路面產(chǎn)生矩形的亮度均勻的照明光斑?，F(xiàn)有LED的光強分布多是關(guān)于主光軸旋轉(zhuǎn)對稱的朗伯分布。要將旋轉(zhuǎn)對稱的光分布重新分配，形成最終的矩形光斑就決定了配光透鏡必須是自由曲面的光學(xué)透鏡。在二次光學(xué)設(shè)計時需要準(zhǔn)確建立光源的發(fā)光模型，同時確定目標(biāo)照明區(qū)域的光線分布，以此為依據(jù)列出光線出入配光透鏡前后的變換方程，并求解得到配光透鏡出光面的具體形式。

③反射和折射相結(jié)合的二次光學(xué)設(shè)計。單純用非球面反射器的結(jié)構(gòu)由于包絡(luò)角有限的原因，有一部分光線將從透鏡四周漏出，不能得到有效的利用。因此有必要在透鏡的結(jié)構(gòu)上再增加反射器，以對LED光通量進行充分有效的收集和利用。另外，一種非球面的復(fù)眼透鏡也是產(chǎn)生均勻光斑的有效結(jié)構(gòu)。采用復(fù)眼透鏡的二次光學(xué)器件也是由反光杯和透鏡組合而成的，反光杯收集光線并將其調(diào)制為相對平行的光束后再由復(fù)眼透鏡將光以一定角度發(fā)散出去，這種結(jié)構(gòu)機理明確，能達到均勻舒適的照明效果。

在商業(yè)照明領(lǐng)域，目前國內(nèi)常用的光學(xué)軟件主要分為兩類：照明工程設(shè)計軟件和燈具配光設(shè)計軟件。照明工程設(shè)計軟件的作用是依據(jù)已有的標(biāo)準(zhǔn)化燈具制定一套最佳的使用方案，為用戶提供最好的視覺需求。目前，常見的照明工程設(shè)計軟件有DIALux、OxyTech等；燈具配光設(shè)計軟件的作用是依據(jù)光源的特點以及期望的光學(xué)效果設(shè)計出相應(yīng)的光學(xué)器件。以LED燈具為例，LED用反光杯和透鏡就是常用的實現(xiàn)期望光學(xué)效果的光學(xué)器件。

①裸LED和現(xiàn)有燈反射器?，F(xiàn)有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，若選擇不使用次級光學(xué)器件，可使成本最低，并且系統(tǒng)光損失最小，使用的元件較少，所用費用也較少，可使照明系統(tǒng)組裝更簡單并且費用更低。其缺點是會出現(xiàn)多照明陰影效應(yīng)，如果LED的光分布與目標(biāo)照明的光分布差異很大，就不能采用此方法，而應(yīng)采用次級光學(xué)器件。

②帶有次級光學(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器。次級光學(xué)器件是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學(xué)器件類型為反射(光從某個表面反射回)或折射(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(xué)器件可以通過購買標(biāo)準(zhǔn)件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設(shè)計定制。

每個LED使用一個次級光學(xué)器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準(zhǔn)確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，可優(yōu)化點照明。采用次級光學(xué)器件存在以下缺點：

·因為增加了元件并且裝配較復(fù)雜，所以照明的成本較高；

·由于光學(xué)器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影；

·次級光學(xué)器件會降低光學(xué)系統(tǒng)的功效。

③不是每只LED都使用一個光學(xué)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(yōu)點是光束角度比裸LED能達到的光束角度大，并且消除了多照明陰影效應(yīng)，光照度分布、多源陰影效應(yīng)和美觀度通常也決定了光學(xué)系統(tǒng)的選擇。常見的LED用光學(xué)器件形式有反光杯和透鏡，各有優(yōu)點和局限性，應(yīng)該根據(jù)需要來選擇。相比于反光杯，透鏡對光的損耗要大，而且透鏡還存在色散問題；但是，在處理小角度(如光束角20。以下)的配光需求時，反光杯會顯得很笨拙，而透鏡則比較容易5．LED燈具的能效

DOE制訂的研究計劃是將商用照明領(lǐng)域的SSI．光源效率從當(dāng)前的301m／W提高到1501m／W以上。根據(jù)當(dāng)前SSL照明裝置的能源之星計劃草案，可以計算出利用現(xiàn)有的組件構(gòu)成的SLL照明裝置的總體能效。對于孔徑略大于4英寸、相關(guān)色溫(CCT)為3000K的照明裝置，它的最小亮度為5001m，最小光源效率為35lm／W。

使用一種常見的暖白色LED作為照明光源，該LED的額定指標(biāo)為3000K、350mA、3.8V的最大正向壓降。在測試條件下，LED結(jié)溫為25℃，電流