LED照明系統(tǒng)設計指南六步驟

本文詳細討論LED照明系統(tǒng)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(tǒng)的效率；(4)計算需要的LED數(shù)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(nèi)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(xiàn)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(wěn)定性。因此，絕大多數(shù)普通照明應用設計中都采用這類LED，包括路面、停車區(qū)以及室內(nèi)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(tǒng)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(fā)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(chǎn)生光的一半都浪費到燈具內(nèi)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(yōu)點設計的室內(nèi)照明有以下優(yōu)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(huán)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(xiàn)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(tǒng)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(gòu)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(xiàn)有照明匹配具有多種優(yōu)點。首先，現(xiàn)有設計已經(jīng)針對目標應用進行了優(yōu)化，可以在圍繞有關光輸出、成本和工作環(huán)境而確定設計目標時提供指導。其次，現(xiàn)有設計的外形尺寸已經(jīng)得到認可。如果外形尺寸相同，終端用戶轉(zhuǎn)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(shù)年，照明業(yè)也遇到了類似問題。行業(yè)標準的缺乏，以及早期產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(fā)起了“DOE SSL商用產(chǎn)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(shù)。

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(xiàn)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(xù)點亮5.7年！

不過，在大多數(shù)照明環(huán)境下，燈有規(guī)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(jié)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(huán)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)?；蛘?，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(yōu)點。因此，設計LED照明，使其使用壽命最長并節(jié)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(xiàn)成的照明標準，可以直接確定要求。對其它應用，確定現(xiàn)有照明的特性是一個好方法。

表2列出了確定現(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)文件或文檔，詳細給出其各種燈具的關鍵特性?！皾撛陉P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(xiàn)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(xiàn)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(huán)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。