LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳細(xì)步驟介紹

對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)器效率87%的估值很好。室外用或非常長(zhǎng)的使用壽命的驅(qū)動(dòng)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(tǒng)的效率。

步驟四：計(jì)算需要的LED數(shù)量

實(shí)際需要的流明量

所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計(jì)算要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的實(shí)際LED流明數(shù)。對(duì)本計(jì)算，只使用光效率(光學(xué)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(shí)際流明”的計(jì)算如下：

所需的實(shí)際流明=目標(biāo)流明/(光學(xué)效率×熱效率)=810/(91%×85%)=1,050lm

工作電流

另一個(gè)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(shí)很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會(huì)變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過(guò)，增加工作電流同時(shí)也帶來(lái)多個(gè)缺點(diǎn)，如表6所示。根據(jù)應(yīng)用的不同，考慮到每個(gè)LED流明輸出值更高，這些缺點(diǎn)也許可以接受。

對(duì)示例照明，使用壽命和功效是最應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本照明以XLamp XR-E數(shù)據(jù)手冊(cè)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(zhǎng)使用壽命。

LED數(shù)量

工作電流確定之后，就可以計(jì)算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計(jì)算中考慮到了，故LED供應(yīng)商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。

對(duì)本計(jì)算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的典型數(shù)量。大多數(shù)LED公司根據(jù)最小通量范圍銷售。根據(jù)此最小數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，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(biāo)要求。

本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時(shí)的最小光通量為67.2 (P2 flux bin)。LED的數(shù)量計(jì)算如下。

LED的數(shù)量=實(shí)際所需的流明數(shù)/每個(gè)LED的流明數(shù)＝1,050 lm / 67.2 lm=16個(gè)LED

步驟五：考慮所有設(shè)計(jì)可能并選擇最佳設(shè)計(jì)

LED數(shù)計(jì)算好之后，考慮滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的所有設(shè)計(jì)可能。由于每個(gè)LED都是一個(gè)小照明，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長(zhǎng)許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設(shè)計(jì)元件一起集成到照明中。設(shè)計(jì)師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級(jí)光學(xué)器件來(lái)構(gòu)造原始設(shè)計(jì)，。

同時(shí)不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設(shè)計(jì)的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標(biāo)準(zhǔn)列表超出了本文的范圍，不過(guò)，下面的表7給出了世界某些地域使用的規(guī)則的例子。

本節(jié)的其余部分對(duì)本示例LED照明的各系統(tǒng)(光學(xué)、熱和電器)的3個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)每個(gè)系統(tǒng)，給出了最佳選項(xiàng)的選擇指南。

光學(xué)系統(tǒng)選項(xiàng)

1．裸LED和現(xiàn)有燈反射器

如前面所述，現(xiàn)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(jí)光學(xué)器件。本選項(xiàng)可使成本最低，并且系統(tǒng)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(jiǎn)單并且費(fèi)用更低。

缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)多照明陰影效應(yīng)，下面將對(duì)此予以說(shuō)明。另外，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。

2．帶有次級(jí)光學(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器

次級(jí)光學(xué)器件是除LED初級(jí)光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對(duì)LED的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級(jí)光學(xué)器件類型為反射(光從某個(gè)表面反射回)，或者折射(光通過(guò)折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料)。次級(jí)光學(xué)器件可以通過(guò)購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過(guò)光線跟蹤模擬來(lái)設(shè)計(jì)定制。

每個(gè)LED使用一個(gè)次級(jí)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，為點(diǎn)照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。

這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，因?yàn)樵黾恿嗽⑶已b配較復(fù)雜,所以照明的成本較高。其次，由于光學(xué)器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級(jí)光學(xué)器件會(huì)降低光學(xué)系統(tǒng)的功效。

3．裸LED，現(xiàn)有的燈反射器和漫射器

不是每個(gè)LED都使用一個(gè)光學(xué)器件，整個(gè)LED陣列可以使用一個(gè)漫射器來(lái)傳播光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束角度比裸LED能達(dá)到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應(yīng)。

選項(xiàng)2的缺點(diǎn)是成本較高，并且光學(xué)系統(tǒng)的功效低。由于漫射器只能發(fā)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(yīng)和美觀度通常決定了光學(xué)系統(tǒng)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(xiàng)2。否則，選項(xiàng)1在成本、功效和亮度上要更好。不過(guò)，選項(xiàng)1和2都有多源陰影效應(yīng)。

另外，用戶查看選項(xiàng)1和2時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)單個(gè)的LED，而使用選項(xiàng)3的用戶只能看見一個(gè)發(fā)散而均勻的照明。

多源陰影效應(yīng)

多源陰影效應(yīng)是當(dāng)物體位于多個(gè)照明之間時(shí)，表面出現(xiàn)多個(gè)陰影的現(xiàn)象。大多數(shù)人都見過(guò)安裝在浴室水池上方的多個(gè)燈泡，會(huì)注意到后面墻壁上有多個(gè)自己的影子，這就是多源陰影效應(yīng)。

布局很近的LED將產(chǎn)生多個(gè)相互接近的陰影。在目標(biāo)應(yīng)用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設(shè)計(jì)師要決定，對(duì)目標(biāo)應(yīng)用，多陰影效應(yīng)的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應(yīng)而帶來(lái)的額外光學(xué)損失是否值得。

熱系統(tǒng)選項(xiàng)

1．現(xiàn)有燈具罩

最低成本選項(xiàng)是將現(xiàn)有設(shè)計(jì)的燈具罩作為L(zhǎng)ED照明的罩和散熱片來(lái)重新使用。

新照明設(shè)計(jì)顯然不能選擇這一選項(xiàng)。另外，多數(shù)現(xiàn)有罩都是鋼制的，熱導(dǎo)性差。一般來(lái)說(shuō)，選擇鋼罩不利于散熱。

2．現(xiàn)成的散熱片

另一個(gè)選項(xiàng)是購(gòu)買現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，制造商有完整的技術(shù)指標(biāo)。不過(guò)，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化。

3．定制散熱片

定制方案為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機(jī)會(huì)，但有幾個(gè)缺點(diǎn)。

這一選項(xiàng)需要設(shè)計(jì)師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的第三方來(lái)協(xié)助。加工和制造費(fèi)用可能使定制散熱片的單位成本高于現(xiàn)成設(shè)計(jì)的成本。

目標(biāo)照明的成本、可用的散熱片開發(fā)時(shí)間以及目標(biāo)最高環(huán)境溫度常常決定了熱系統(tǒng)的選擇。一般來(lái)說(shuō)，在降低成本比最高環(huán)境溫度更重要的情況下,選項(xiàng)2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下, 選項(xiàng)3更優(yōu)(如室外照明或條件不好的室內(nèi)照明)。

例子中的LED照明使用熱阻為0.47℃/W萬(wàn)的現(xiàn)成散熱片。使用這一散熱片熱阻值，最高環(huán)境溫度可以用下式計(jì)算：

Tj=Ta + ( Rth b-a×Ptotal )+ ( Rth j-sp×PLED )

其中，Tj 為 LED結(jié)溫，Ta 為環(huán)境溫度，Rth b-a為散熱片的熱阻，PLED為單個(gè)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(shù)×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(duì)本室內(nèi)應(yīng)用，例中照明的最高環(huán)境溫度62℃可以接受。對(duì)需要最高環(huán)境溫度更高的工作環(huán)境，既可以提高最大結(jié)溫(可能影響使用壽命)，也可以改進(jìn)熱系統(tǒng)(Rth b-a )(例如選擇更好的散熱片)。

電氣系統(tǒng)選項(xiàng)

1．現(xiàn)成的LED驅(qū)動(dòng)器

由于現(xiàn)成LED驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)可以使用了，并且有參考電路設(shè)計(jì)，所以，使用現(xiàn)成的LED驅(qū)動(dòng)器將使設(shè)計(jì)時(shí)間最快。對(duì)所有零件都進(jìn)行電磁干擾(EMI)和安規(guī)測(cè)試，并且一般來(lái)說(shuō)，批量情況下每單位的成本最低。

缺點(diǎn)是現(xiàn)有LED驅(qū)動(dòng)器效率通常在80%中間范圍。根據(jù)銷售商和應(yīng)用的不同，使用壽命和工作溫度也可能是個(gè)問(wèn)題。

2．下一代LED驅(qū)動(dòng)器

隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導(dǎo)體公司都在將注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化LED設(shè)計(jì)。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅(qū)動(dòng)器開發(fā)進(jìn)行合作，這樣效率更高，并且能獲得管理部門的完全認(rèn)可。

不過(guò)，等待產(chǎn)品開發(fā)可能推遲LED照明的開發(fā)。另外，小一些的公司可能無(wú)法找到驅(qū)動(dòng)器公司來(lái)一起開發(fā)未上市的產(chǎn)品。

3．定制設(shè)計(jì)

對(duì)于熱設(shè)計(jì)，可以選擇完全定制電氣系統(tǒng)?？赡鼙仁褂矛F(xiàn)成零件達(dá)到的效率高，但有許多潛在缺點(diǎn)。

開發(fā)和認(rèn)證批準(zhǔn)由設(shè)計(jì)師承擔(dān)。即使在開發(fā)之后，每單位成本也可能高于現(xiàn)有方案。另外，不要忘記，在LED照明開發(fā)期間，驅(qū)動(dòng)器公司會(huì)一直開發(fā)效率更高且更廉價(jià)的驅(qū)動(dòng)器。

可以利用的開發(fā)資源和目標(biāo)效率通常決定了電氣系統(tǒng)的選擇。在目前的大功率LED環(huán)境下，總照明效率的提高受LED本身的影響比受驅(qū)動(dòng)器的影響要大。盡快完成產(chǎn)品可能比試圖等電氣設(shè)計(jì)更完美后要有利。

步驟六：最后步驟

表8詳細(xì)給出了構(gòu)建和評(píng)估原型照明的最后步驟，一旦作出設(shè)計(jì)決定，可按照該步驟來(lái)完成。

從哪里得到幫助

整個(gè)LED照明設(shè)計(jì)步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到最終設(shè)計(jì)的Cree目前的合作伙伴的聯(lián)系方法。