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(xué)、驅(qū)動(dòng)。而外在環(huán)境還需要量看國(guó)家以及國(guó)際對(duì)LED產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)技術(shù)。基底材料由傳統(tǒng)的藍(lán)寶石材料、硅和碳化硅，發(fā)展到氧化鋅、氮化鎵等新材料。無(wú)論是面向重點(diǎn)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(jiǎn)單的輔助照明的低功率芯片，技術(shù)升級(jí)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(jì)在內(nèi)的一系列技術(shù)改進(jìn)，LED 在光效方面實(shí)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(jìn)一步提高，LED 芯片的光效也將隨之增強(qiáng)。

　　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(jiàn)圖 2）。這不僅顯著提高LED 的光效，還為透鏡設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)到周圍環(huán)境的熱阻，才能大大降低 LED 的 PN 節(jié)點(diǎn)溫度，而成功實(shí)踐延長(zhǎng) LED 燈具的使用壽命并提高實(shí)際光通量的目標(biāo)。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(jì)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(xué)設(shè)計(jì)

　　與傳統(tǒng)燈具比較，定向性和點(diǎn)光源是 LED 最典型的兩大特點(diǎn)，而如何善用 LED 的這兩大特點(diǎn)便是燈具光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。透過(guò) LED 的二元光學(xué)設(shè)計(jì)，LED 燈具能夠達(dá)到更好的配光曲線。例如，在室內(nèi)照明應(yīng)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(dǎo)光板技術(shù)應(yīng)用到燈具中，從而將 LED 點(diǎn)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(diǎn)照明應(yīng)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(dá)到理想的光學(xué)效果。

　　3．驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　必須確保 LED 驅(qū)動(dòng)電流為恒流輸出。當(dāng) LED 在正向電流下工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓的相對(duì)變化非常小。因此，確保恒定的 LED 驅(qū)動(dòng)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(jì)是現(xiàn)今主流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)之一，多用于氛圍照明應(yīng)用中，可根據(jù)不同的環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同的亮度級(jí)別，還能完全實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。目前，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)側(cè)重于提高功率因數(shù)、降低驅(qū)動(dòng)功耗、優(yōu)化控制精度和加快響應(yīng)速度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源的設(shè)計(jì)、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(biāo)準(zhǔn)

　　LED 照明是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，不但需要設(shè)定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、控制和接口標(biāo)準(zhǔn)等，而且需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化和協(xié)調(diào)化。目前市場(chǎng)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(fèi)者誤會(huì)。同時(shí)，LED 還經(jīng)常面對(duì)OLED等其他高功率光源以及傳統(tǒng)廉價(jià)光源的競(jìng)爭(zhēng)威脅。為了維護(hù)和促進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。目前，美國(guó)能源部正在積極推廣半導(dǎo)體照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、日本等國(guó)家和地區(qū)也正積極推行措施設(shè)定 LED 標(biāo)準(zhǔn)。

　　高功率LED照明的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　即使 LED 在室內(nèi)重點(diǎn)照明和裝飾照明應(yīng)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(yīng)用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)，包括初置成本、色溫較低時(shí)的光效、顯色指數(shù)和系統(tǒng)可靠性等。

　　a．進(jìn)一步降低初置成本

　　成本是室內(nèi)照明中相對(duì)比較敏感的因素，特別是在家居照明應(yīng)用中。盡管 LED 燈型號(hào)越來(lái)越多，光效也在不斷提高，但是價(jià)格高這個(gè)問(wèn)題仍然存在。但是當(dāng)LED光源價(jià)格降低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǎng)時(shí)，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(chǎng)的不斷發(fā)展，LED 燈的價(jià)格很快便能到大眾可以接受的程度。

　　b．提高低色溫時(shí)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(gè)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(jué)，較適用于辦公室和室外照明。因?yàn)闊晒夥鄣脑?，低色溫時(shí) LED 的光效通常會(huì)比高色溫時(shí)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(dá)到肉眼直接觀察外部景觀時(shí)的真實(shí)效果。為此，提高 LED 光效的同時(shí)，還需要進(jìn)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(dá)到顯色指數(shù)超過(guò) 90 的效果。

　　d．提升高電流驅(qū)動(dòng)期間的效率

　　現(xiàn)時(shí)，通?？梢詫?1W LED 的電流從 350mA 加大到 1，000mA。然而，在高電流驅(qū)動(dòng)下，即使光通量增加，整體效能通常也會(huì)相對(duì)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(dòng)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(jìn)一步縮小 LED 的封裝尺寸

　　除了環(huán)保、節(jié)能、無(wú)公害外，室內(nèi)LED還具藝術(shù)性、尺寸小和能彰顯個(gè)性這些特點(diǎn)。而通過(guò)進(jìn)一步縮小 LED 封裝尺寸，可以令燈具設(shè)計(jì)更具靈活性和創(chuàng)新空間。對(duì)于需要用混合照明以提高顯色性的應(yīng)用場(chǎng)合，較小的封裝尺寸非常有助于實(shí)現(xiàn)混合光透鏡和混合光效設(shè)計(jì)。

　　f．延長(zhǎng)使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性

　　在一般照明應(yīng)用中，LED 的整體效率、使用壽命和可靠性必須通過(guò)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(jiǎn)單，而 LED 照明系統(tǒng)則涉及多個(gè)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(dòng)：使用電子電路實(shí)現(xiàn) LED 的恒流驅(qū)動(dòng)和控制。

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

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

　　圖3：LED 照明系統(tǒng)的元件

　　（LED 燈具 = LED + 電源 + 驅(qū)動(dòng) + 散熱 + 光學(xué)元件） 應(yīng)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(dǎo)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(jì)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(guò) 100lm/w。即使在高電流下，它也能維持卓越的發(fā)光效率，進(jìn)而有效降低燈具的整體成本。且具有極