led灯具的关键技术()

LED灯具设计重点技术及最新进展
陈俞荣浙大光电系
一．背景
1. 行业背景
最近几年来 LED照明家产的发展获得了日新月异的发展。

跟着全世界公众节能意识的高涨, 以及在相对较高的电价下, 促进建筑、商业应用领域连续导入LED照明，而日本、北美、欧洲
及中国大陆则成为主要应用市场。

据认识,2010 年全世界 LED照明市场规模达49.8 亿美元，较 2009 年大幅成长46%。

工研院IEK 预估， 2015 年全世界 LED照明市场产值将上涨至212 亿美元，市场浸透率达15%。

LED灯具拥有节能环保、长寿命、高光效等特色，并以多样化、
重申设计与流行、功能性为决胜重点，遇到了市场的欢迎。

跟着LED照明灯具家产的发展，LED照明灯具产品成为了新一代的照明趋向。

2.LED 灯具分类和长处
一般 LED照明灯具产品分为户外照明和室内照明两大系列，户外照明系列包含LED路灯、LED地道灯、 LED投光灯，可用于小区、街道、道路、投光照明。

室内照明包含LED筒灯、LED 日光灯、 LED 格栅灯、 LED 球泡，合用于家居、商业、机关、学校、队伍、医院、航天
等领域的室内照明场所，以及节日灯饰、公园、舞台等，可广泛取代传统的各样吊灯、筒灯、日光灯、灯条等灯具。

LED照明灯具不论应用在户外仍是室内照明都拥有以下的五大特色：
1）节能。

采纳高质量的LED光源，在相同的电能下1W发的光相当于白炽灯的4-5 倍，是节能灯 2 倍以上。

2）环保。

LED是半导体资料，无任何有害物质，可回收利用，因为属于固态，不易碎。

3）寿命长。

LED灯具寿命正常使用下寿命广泛为节能灯的 5 倍以上。

4）光色纯正。

LED显色指数 (RA) 比传统灯具要高，广泛达到 75以上，传统灯大体是40-50.
5）能够工作在高速状态。

节能灯假如屡次的启动或关断灯丝就会发黑很快的坏掉，LED 属于半导体，可工作在高速开关状态。

二． LED灯具设计的重点问题
1.散热为 LED灯具设计重点
一般常称LED为冷光源，这是因为LED的发光原理是电子经过复合直接发出光子，
而不需要热的过程。

可是因为焦耳热的存在，LED在发光的同时也有热量陪伴。

而与传统
光源不同的是，钨丝灯等传统光源将热量集中在灯丝，但 LED的光源的热量却集中在发光二极
管的 PN结面上，二者相较起来，钨丝灯的散热面积仍远大于 PN结界面的面积，
甚至 PN结面能够视为 1 个点， LED发光产生的热能所有集中在单调点上。

在工程设计方
面，“面”形式产生的热可用散热片或是自体增添热对流空间即可办理，但“点”状的热
源在散热办理就更加复杂与困难，办理不当很简单造成PN结面因高热、高电流出现击穿
破坏，而组件长久处于高热，也会让产品的可用寿命遇到影响。

另一方面， LED 晶粒为提高亮度表现，一定在单位LED上施加更多电源功率，同时
灯具设计也会采许多半量的LED同时运转，这将使灯具内产生大批的热。

当单颗LED晶粒随亮度提高，功耗也由0.1W 提高到 1、 3、甚至 5W，经 LED光源模型实测剖析结果，
封装模组也会因增添发光效能而出现热阻抗爬升的问题。

LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源，过高的温度会缩短甚至停止其使用寿命；
本来单颗 LED组件具 20,000 — 40,000 小时寿命，可能因功率与散热办理不好降至仅2,000
小时。

并且LED是温度敏感器件，当温度上涨时，其发光效率急剧降落。

所以系统构造
设计及散热技术开发是LED灯具设计急需面对的课题。

2.LED 灯具的二次配光设计至关重要
光源在空间各个方向的光强散布即为配光，为了使LED芯片发出的光能够更好地输出，获取最大程度的利用，并且在照明地区内知足设计要求，需要对LED进行光学系
统
的设计。

此中，在封装过程中的设计被称为一次光学设计，在使用LED发光器件时，
整
第个系统的出光成效和光强、色温的散布设计被称为二次光学设计，也叫二次配光。

LED灯具的二次配光设计，对最后的照明器件和工程的性能起着至关重要的作用。

一，部分光芒未能达到有效的照明范围进而致使能量的损失，需要二次配光提高光能利
用率；第二，封装以后，像面照度散布平均性达不到设计要求，难以在每一点的照度值
都大于要求的最低照度值，这都需要对LED灯具进行二次配光设计。

比如 LED路灯， LED路灯配光是使光芒尽可能投射到被照路面各个地区，获取切合道
路照明要求的光散布。

假如没有对LED路灯光源配光，照耀在路面上的光型为面积较大
的圆形光斑，会有部分光散落到路面以外而没有被利用，如图1(a) 所示。

为了知足对路
面的亮度、照度、平均度的要求，且尽可能使得大多半光都散布在道路面上以提高灯光
的利用率，减少不用要的浪费，往常需要对LED路灯进行配光，LED路灯输出的光芒照耀
在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳，如图1(b) 所示。

a) 未经配光(b)经配光后
图（ 1） LED 路灯配光表示图
从 LED路灯能够看出，配光设计能否正确到位是其可否代替传统光源的重点要素
之一，研究 LED灯具二次配光对此后 LED照明的系统设计研究拥有重要意义。

3.LED 灯具系统的靠谱性是基础
LED光源，有人称它为长寿灯，作为固体发光器件，其理论寿命应在10 万小时以上，
使用寿命远比传统光源要长，所以在一些不易改换、保护的场合使用，保护成本可大大
降低。

可是当前在很多实质应用中却没法看到这个长处，反而给使用者看到的是光衰严
重，且寿命短，有的用不到 1 万小时就坏了。

比如， 2009 年开始的“十城万盏”示范项目全面催生了我国的室外照明市场，可是
占有关部门统计，该项目中所使用的LED灯拥有一小半出现了光衰严重以致已经破坏的
问题。

若按当前LED的广泛寿命3-5 万小时预计，那么 3 万小时折算下来是 3.4 年，该
项目原定的60 年的成本回收期饱受怀疑。

从这个状况来看，若此后没有“十城万盏”这
类国家政策支持推动，LED光源代替传统光源的远景将特别堪忧。

所以，提高LED灯具的质量和靠谱性，对 LED照明市场的信心和活力特别重要，LED灯具的靠谱性是其对比传统
灯具的优胜性得以表现的基础。

4.室内 LED灯具的显色性、眩光问题
有业内专家评估：等到30%左右老百姓家里使用LED灯管以及灯杯，才是 LED真实鼎盛期。

也就是说LED在室内照明的宽泛应用才是LED行业真实的春季。

不问可知，室内
照明设计的利害直接影响人们的平时生活和工作。

除了LED灯具的成本高难以被大众接
受的问题以外，人体在LED光源下工作生活的健康和舒坦是室内LED灯具的核心问题。

这此中主要包含LED灯具的显色性、眩光等问题。

人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性，所以，比较明而言，光源的显色
性常常比发光效率更重要。

当前白光LED广泛使用发蓝光的LED叠加由蓝光激发的发黄
光的钇铝石榴石（YAG）荧光粉合成白光。

因为其发光光谱中仅含蓝、黄两个波谱，所以
存在色温偏高、显色指数偏低的问题，不切合一般照明要求。

所以，加入适当发红光的
荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要课题。

此外，LED灯具照明的眩光太强，远距离看只有一部分照进眼睛里，太刺目。

这也是一个亟待解决的技术问题。

除此以外，关于LED灯具，电源、光源以及驱动电路都是特别重要的构成部分，并
且也是特别重点的技术。

但笔者更偏向与将它们独立出去，不计为LED灯具的重点技术。

三． LED灯具设计的最新进展
1.散热问题
散热问题存在于 LED灯具制造的各个环节，能够经过对各环节的制造工艺进行优化设
计来改良整体散热成效，笔者在这里将工序分为三个阶段，并分别举例表达散热技术的最新
进展。

1）芯片设计阶段
散热办理若从组件端着手，可在芯片设计阶段即进行散热规划，针对LED磊晶进行的散热设计方式，针对高功率、高亮度的 LED 组件使用覆晶，即 Flip-Chip形式（广州晶科），利用覆晶将磊晶内的热传导出来。

另一种方式是采纳垂直电极（Cree）制作 LED，可在散
热问题上获取更大帮助。

或许使用导热性更好的衬底资料，比方SiC（ Cree）等。

2）封装阶段
LED封装是 LED行业的咽喉，这一环节的散热优化对全局成效起到举足轻重的作用。

一般能够经过选用导热性更好的封装资料和改变封装工艺的方法来实现。

封装新资料
类钻炭膜（江苏鑫钻）、液态金属（常州泰和）、陶瓷基板（同欣电子）等封装工艺
共晶焊接方法（Cree）、 COHS（光海科技）、 Lumileds Luxeon封装法等3）灯具整体设计阶段
LED灯具整体散热设计包含散热模块和整体构造设计。

散热模块此刻主要种类有电扇
强迫散热、热管加鳍片、回路热管散热技术等。

整体机构设计方面各家LED应用公司各有特色。

比如，杭科光电利用散布式散热技术，将 LED热源散布到各独立的模组，模组之间形成加快对流层，利用热蜂窝效应，加快散热，打破 LED路灯散热瓶颈。

此外该公司研究了洞穿对流技术，将特有的洞穿对流技术运用到
LED模组中，使模组内部也形成对流空气，大幅提高散热成效，降低LED结温，提高LED 灯具寿命。

2. 二次配光技术进展
当前，进行 LED二次配光设计所使用的基本光学元件主要有透镜、反射镜和折光板等。

1）透镜
透镜的作用是使光源发出的光芒进行汇聚和发散，起到改变出光角度的大小进而改变
照明面积和照度的作用。

在实质使用中，经过改变光源到镜头的距离来控制光束发散角。

该距离减小、发散角增大，反之则减小。

但是，透镜的使用会带来像差和光消耗。

2）反射镜
反射镜与透镜在原理上是不同的，透镜是利用折射原理，而反射镜采纳反射或全反射
原理，形状往常为旋转二次曲面，包含抛物面、椭球面和双曲面。

3）折光板
折光板的作用是改变光芒的方向或在特定的方向上改变光束的角度，往常包含齿形折
光板、梯形折光板和柱形或许球形折光板。

而光学设计所用的软件主要有 Zemax、 Lighttools 、 Asap 和 Tracepro 等，它们各有特色
和优势，为广大光学设计工程师喜欢。

3. 靠谱性方面
LED灯具的典型无效模式包含了不同层次的无效模式，波及到LED封装构造以及工艺过程。

LED在实质使用中，因为复杂的环境以及封装工艺限制性进而使封装资料退化、荧
光粉退化、金属电迁徙、局部温度过高产生的热应力所惹起的芯片和硅胶的分层或金线断
裂等等，进而影响LED发光甚至致使整个LED的无效。

并且LED产生的高温会致使芯片的发光效率降低，光衰加快、色移等严重结果。

跟着技术、工艺的提高，这种问题都会获取解决。

特别在国内LED行业大洗牌过程中，技术水平，特别产品的靠谱性将成为公司最为重要的生命力，届时LED照明行业会有一番新的局势，一改当下参差不齐、鱼龙混淆的场面。

此外，成立国家的产品标准和靠谱性测
试与评估也是特别有帮助的。

杭科光电设计的全独立式高效电源驱动，从系统保护的角度保证了LED路灯的靠谱性。

这种特别的驱动方式，对每个LED 模组独立供电，采纳软开关技术和PFC技术实现高效率和高功率因数，三级隔绝技术实现高靠谱性，全独立设计使单调模组故障不影响整灯工作，
单调模组可实现热插拔。

此外该公司的无损害拓扑技术使得单颗粒LED出现短路或许断路均不影响模组或许整灯正常工作，也不会影响其余LED颗粒的电流电压的分派，进而不影
响其余颗粒的寿命。

4.室内灯拥有关问题的进展
室内灯具的设计技术的进展的核心问题是光生物安全，第一仍是在高显色性，也就是
荧光粉资料的配比。

在现有的黄蓝光合成的 LED封装锅中加入适当发红光的荧光粉并能保持较
高发光效率是 LED白光室内照明需要考虑的，这方面需要封装公司对荧光粉工艺不停的调试和
改良。

关于眩光，前欧普照明对外公布了的崭新 LED产品系列，据称采纳了层次化的外观设计，
配合截光角设计，能有效防止眩光。

此外据认识，凸镜能够改变光源的发光角度及有
效阻挡眩光的产生。

国际标准化组织很早就开始考虑对LED光辐射的安全要求进行规范。

最早，LED产品的光辐射安全要求被归入到IEC60825-1 标准中，依据激光产品的要求进行评论，可是LED 毕竟和激光不相同，所以最后又被归入非激光类产品标准IEC62471 中进行查核。

作为企业，应当一直关注并恪守有关规范，改良工艺，制造达到标准的LED灯具。

四． LED灯具发展展望
第一阶段， LED灯具代替接受阶段。

在与传统光源一致的使用状况下，LED灯具特色
表现：低碳环保、节能、长寿命等，使得市场简单接受它。

特别是在商用处合，讲究地是产质量量优势。

第二阶段， LED灯具适用新式阶段。

在上一阶段的基础上，市场对LED灯具产品有了
必定的认同和接受。

LED灯具的环保、体积小、高靠谱性等其余特征渐渐突显出来。

灯具
行业也会出现更大更广的一个发展应用空间，光源不再是只是起到照明作用，跟着城市文
化建设日趋遇到重视，街道都已安置灯饰美化城市。

所以，各厂商着重了设计应用优势。

第三阶段， LED灯具智能控制阶段。

跟着联网等新技术的发展，LED作为半导体家产，也将搭上这趟高速列车，发挥出其高可控性特色。

从家庭到办公楼，从道路到地道，从汽
车到步行，从协助照明到主照明，具备智能控制的LED照明灯具系统将给人类带来更高等
级的服务。

LED灯具家产也将由做产品，到设计产品，到供给整体解决方案的历程。

因为 LED拥有的多重特色，我们对它的美好将来充满期望的同时，也不该回避它当前
存在的一些不足。

早期，是LED灯具在发展早期，因产品特色多重，售价较高。

而一般的
白炽灯倒是特别廉价，一般百姓对价钱差距有一个接受过渡期。

所以，早期，主要使用为
商用、市场、街道居多。

五．总结
LED技术的不停提高和宽泛应用，人们对 LED灯具感官视觉追求的进一步提高，也对产品性能和产品设计提出更高的要求。

这需要我们 LED家产制造商、终端产品设计师更新标准
动向。

让我们一同努力，加快并迎接LED照明盛世的到来。