高功率LED室內(nèi)照明的燈具技術(shù)解析

　　高功率LED照明的發(fā)展

　　高功率LED照明的發(fā)展取決于兩大元素：一是芯片本身；二是燈具技術(shù)，包含散熱、光學、驅(qū)動。而外在環(huán)境還需要量看國家以及國際對LED產(chǎn)品的標準制定。

　　一、芯片的發(fā)展

　　目前，LED 芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于基底材料和外延生長技術(shù)?；撞牧嫌蓚鹘y(tǒng)的藍寶石材料、硅和碳化硅，發(fā)展到氧化鋅、氮化鎵等新材料。無論是面向重點照明和整體照明的高功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡單的輔助照明的低功率芯片，技術(shù)升級的關(guān)鍵都關(guān)乎如何開發(fā)出更高效、更穩(wěn)定的芯片。在短短數(shù)年內(nèi)，借助于包括芯片結(jié)構(gòu)、表面粗化處理和多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計在內(nèi)的一系列技術(shù)改進，LED 在光效方面實現(xiàn)了巨大突破。圖1是LED 芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展示意圖。隨著生產(chǎn)技術(shù)的逐漸成熟，LED 量子效率將進一步提高，LED 芯片的光效也將隨之增強。

　　圖1：LED 芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

　　薄膜芯片技術(shù)是超亮 LED 芯片生產(chǎn)中的核心技術(shù)，能夠減少各側(cè)面的光輸出損耗，并能借助底部的反射面使 97% 以上的光線從正面輸出（見圖 2）。這不僅顯著提高LED 的光效，還為透鏡設(shè)計創(chuàng)造了優(yōu)越的便利條件。

　　圖2：正面光輸出—— 普通LED與薄膜技術(shù)LED 的對比　　二、燈具技術(shù)的需求

　　1．散熱技術(shù)

　　大眾一直關(guān)注燈具的使用壽命。若僅僅依靠使用低熱阻的 LED 元件是未能為燈具裝置構(gòu)建良好的散熱系統(tǒng)，而必須有效地減小從 PN 節(jié)點到周圍環(huán)境的熱阻，才能大大降低 LED 的 PN 節(jié)點溫度，而成功實踐延長 LED 燈具的使用壽命并提高實際光通量的目標。有別于一般傳統(tǒng)燈具，印刷電路板既是 LED 的供電載體，也是 LED 的散熱載體，所以散熱片和印刷電路板的散熱設(shè)計十分重要。除此之外，燈具制造商還須考慮散熱材料的質(zhì)量、厚度和尺寸以及散熱界面的處理和連接等因素。

　　2．光學設(shè)計

　　與傳統(tǒng)燈具比較，定向性和點光源是 LED 最典型的兩大特點，而如何善用 LED 的這兩大特點便是燈具光學設(shè)計的關(guān)鍵之處。透過 LED 的二元光學設(shè)計，LED 燈具能夠達到更好的配光曲線。例如，在室內(nèi)照明應用中燈具的光線需要十分明亮，則可使用高透光率燈罩提高光提取效率。或是將導光板技術(shù)應用到燈具中，從而將 LED 點光源更改為面光源，不但能提高燈具的配光均勻度，還可以防止眩光。另外，在一些輔助照明和重點照明應用中，為了突出要照亮的物體而需要特定的聚光效果，在這種情況下，可配合一些聚光透鏡或反射器使用，以達到理想的光學效果。

　　3．驅(qū)動設(shè)計

　　必須確保 LED 驅(qū)動電流為恒流輸出。當 LED 在正向電流下工作時，節(jié)點電壓的相對變化非常小。因此，確保恒定的 LED 驅(qū)動電流，基本上等于確保恒定的 LED 輸出電流。此外，燈光控制設(shè)計是現(xiàn)今主流驅(qū)動設(shè)計之一，多用于氛圍照明應用中，可根據(jù)不同的環(huán)境實現(xiàn)不同的亮度級別，還能完全實現(xiàn)節(jié)能目標。目前，驅(qū)動設(shè)計的主要趨勢側(cè)重于提高功率因數(shù)、降低驅(qū)動功耗、優(yōu)化控制精度和加快響應速度。在設(shè)計過程中，電源的設(shè)計、印刷電路板的布局和串并聯(lián)方式都是必須考慮的因素。

　　三、設(shè)定標準

　　LED 照明是一個嶄新的領(lǐng)域，不但需要設(shè)定產(chǎn)品標準、測量標準、控制和接口標準等，而且需要實現(xiàn)進一步的標準化和協(xié)調(diào)化。目前市場上質(zhì)量參差不齊的各種 LED 燈五花八門，大多產(chǎn)品信息并不完善，很容易令消費者誤會。同時，LED 還經(jīng)常面對OLED等其他高功率光源以及傳統(tǒng)廉價光源的競爭威脅。為了維護和促進行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展，LED 照明行業(yè)急需設(shè)定一套完整的業(yè)界標準。目前，美國能源部正在積極推廣半導體照明的相關(guān)標準，中國大陸、中國臺灣、韓國、日本等國家和地區(qū)也正積極推行措施設(shè)定 LED 標準。

　　高功率LED照明的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　即使 LED 在室內(nèi)重點照明和裝飾照明應用中已有令人滿意的表現(xiàn)，但是在普通照明和氛圍照明應用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括初置成本、色溫較低時的光效、顯色指數(shù)和系統(tǒng)可靠性等。

　　a．進一步降低初置成本

　　成本是室內(nèi)照明中相對比較敏感的因素，特別是在家居照明應用中。盡管 LED 燈型號越來越多，光效也在不斷提高，但是價格高這個問題仍然存在。但是當LED光源價格降低，系統(tǒng)設(shè)計的整體優(yōu)化，總成本就必然下降。回想緊湊型節(jié)能日光燈首次投放市場時，成本約為 15 美元，如今已降至 1.50 美元以下。因此，可以推斷，隨著市場的不斷發(fā)展，LED 燈的價格很快便能到大眾可以接受的程度。

　　b．提高低色溫時的光效

　　4，000K 以下的低色溫通常是室內(nèi)家居照明的首選。暖白光令整個環(huán)境更加溫暖和放松；而冷白光則給人潔凈、高效、明亮的感覺，較適用于辦公室和室外照明。因為熒光粉的原故，低色溫時 LED 的光效通常會比高色溫時低大約 30% 。

　　c．管理光效和顯色指數(shù)

　　在一般情況下，LED 的光效越高，顯色指數(shù)越低。室內(nèi)照明通常要求 LED 具有更高的顯色指數(shù)，才能客觀顯示物體的亮度和顏色及達到肉眼直接觀察外部景觀時的真實效果。為此，提高 LED 光效的同時，還需要進一步提高顯色指數(shù)。另一種方法則是在燈具表面添加一些紅光，從而達到顯色指數(shù)超過 90 的效果。

　　d．提升高電流驅(qū)動期間的效率

　　現(xiàn)時，通?？梢詫?1W LED 的電流從 350mA 加大到 1，000mA。然而，在高電流驅(qū)動下，即使光通量增加，整體效能通常也會相對顯著下降。因此，必須平衡系統(tǒng)總成本和光效。如果可以在高電流驅(qū)動下提高 LED 的光效，則只要確保提供更高的系統(tǒng)光效，就可以大大減少所需的 LED 數(shù)量，從而大幅減低成本。

　　e．進一步縮小 LED 的封裝尺寸

　　除了環(huán)保、節(jié)能、無公害外，室內(nèi)LED還具藝術(shù)性、尺寸小和能彰顯個性這些特點。而通過進一步縮小 LED 封裝尺寸，可以令燈具設(shè)計更具靈活性和創(chuàng)新空間。對于需要用混合照明以提高顯色性的應用場合，較小的封裝尺寸非常有助于實現(xiàn)混合光透鏡和混合光效設(shè)計。

　　f．延長使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性

　　在一般照明應用中，LED 的整體效率、使用壽命和可靠性必須通過系統(tǒng)優(yōu)化才能得以提升。傳統(tǒng)燈具的系統(tǒng)組裝比較簡單，而 LED 照明系統(tǒng)則涉及多個元件，如圖 3 所示。

　　LED 光源：緊湊、高效，有多種顏色和輸出功率可供選擇。

　　電源轉(zhuǎn)換：將交流電、電池和其他電源高效轉(zhuǎn)換為安全的低電壓、恒流電源。

　　控制和驅(qū)動：使用電子電路實現(xiàn) LED 的恒流驅(qū)動和控制。

　　熱管理：若要達到更長的使用壽命，控制 LED 節(jié)點溫度顯得十分重要，散熱分析也不可或缺。

　　光學元件：透鏡、反射器或?qū)Ч獍宀牧鲜菍⒐饩€聚焦在目標區(qū)域必需的光學元件。

　　圖3：LED 照明系統(tǒng)的元件

　　（LED 燈具 = LED + 電源 + 驅(qū)動 + 散熱 + 光學元件） 應用于室內(nèi)照明的LED光源介紹

　　如前文所言，小巧、高效都是選擇LED作光源的重要考慮因素。OSLON SSL LED 是歐司朗光電半導體的最新產(chǎn)品，其功率約為 1W。如圖 4 所示，該款 LED 主要設(shè)計用于普通室內(nèi)照明，外形小巧，封裝尺寸僅為 3mm x 3mm，而且性能穩(wěn)定、可靠，發(fā)光效率卓越，最大光效超過 100lm/w。即使在高電流下，它也能維持卓越的發(fā)光效率，進而有效降低燈具的整體成本。且具有極