LED灯具设计程序

一个典型的LED灯具设计范例，其中包括了电学、热学以及光学的模拟计算。大功率LED光源决定了大功率LED灯具的最终光通量，因此，选择高质量的适配光源是灯具的基础。LED芯片的研发固然重要，但灯具的设计和研发同样不容忽视。大型照明灯主体照明光学系统的结构设计包括以下三种设计：

①芯片外加光学系统得到适宜应用的一次光学设计，它由LED器件的生产商完成。

②将一次光学设计的单只LED装入一个量身定做的透镜中，得到需要的定向光束，这就是所谓的二次光学设计，得到满足单只光学需求的LED组件。

③将若干个二次设计完成的LED组件合并成一个有相当规模、满足照明要求配光曲的灯具，这就是LED的三次光学设计。

在LED光源的产品中，大多数产品，例如路灯、光柱、草坪灯、地埋灯、装饰灯等，均是用市电供电，这就要求在这些灯具中设置AC／DC转换电路，以适应LED电流驱动的特征。以光柱为例，为了便于建筑上的安装与设置，需要在数十米长的光柱间相互对接而只能用一个电源接人点，因此每根光柱内要设置一个既能独立工作又能相互对接的独立电源。这个电源既要有一定的供LED所需的恒流的正向电流输出，又要有较高的变换效率，否则就会失去LED节能的优点。另外，成本低也十分重要，可选择开关电源、高频电源、电容降压后整流电源等多种，根据电流稳定性，对瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。

制作可以放置在E - 27标准灯头内的高频电源和开关电源，使LED的供电十分安全可靠，电源效率达90％，内置这类电源的LED灯具，可以适应交流85～240V的工作电压范围，而灯内LED的电流基本不变。电源是影响LED光源可靠性和适应性的一个重要组成部分，必须慎重考虑。

LED光源产品另一个重要考虑因素是LED器件的可靠性，作为半导体器件，LED的失效模式研究对评估LED光源的寿命十分重要。LED器件同样符合“浴盆曲线”这一失效规律，因此如何筛选早期失效器件——即“加速”寿命试验方法的研究显得尤为重要。提高LED发光效率，改善散热特性，是LED光源发展中必须解决的问题之一，与此同时，在行业协同下开展LED可靠性研究，规范器件老化筛选标准，是解决LED光源在应用中遇到的一些问题的有效途径之一。

1．确定照明需求和设计目标

设计目标是基于现有灯具的性能，或是基于应用的照明需求。LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此，在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对于没有照明标准的应用，可先确定现有照明特性后，在确定应用的照明需求。照明灯具的光输出和功率特性是确定现有照明特性关键，根据照明灯具提供的技术参数，可获得各种灯具的关键特性，由此确定现有照明的特性。

照明要求确定好了之后，就可以确定LED照明的设计目标了。设计目标应根据应用照明需求而定。并应列出影响设计的所有其他目标，如特殊光要求、耐高温要求等。与定义照明要求时一样，关键设计目标与光输出和功耗有关。设计目标应包括工作环境、材料清单(BOM)成本和使用寿命。

2．估计光学系统、热系统和电气系统的效率

设计目标会对光学、热和电气系统产生限制，根据这些限制对各系统的效率进行估计，将照明目标和系统效率结合起来，能确定照明需要的LED数量。设计过程中最重要的参数之一是需要多少只LED才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕LED数量展开的，因为LED数量直接影响到光输出、功耗以及照明成本。

查看LED数据手册列出的典型光通量，用该参数除以设计目标所需的流明值，依据此设计方法将满足不了应用的照明要求。因为LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热和电气系统的效率。

(1)光学系统效率

通过分析光损失估计光学系统的效率。要分析的两种主要光损失为：

①次级光学器件光损失。次级光学器件是不属于LED本身的所有光学系统，如LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失根据使用的特定元件的不同而变化。各次级光元件的典型光学效率在85％～90％之间。如果照明需要次级光学器件，则存在次级光损失。

②灯具内的光损失。当光线在到达目标物之前，打到灯具罩上时，就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收，有些则反射回灯具。固定物的效率由照明光源的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。LED光具有方向性，可达到的效率比全方向照明光源可能达到的要高得多。

次级光学器件的主要目的是改变LED的光输出图像。图4—20将CreeXIampXR—E LED 的光束角度与目标灯具的光输出图像进行了比较。裸LED的光束角度与目标灯具的非常相似，所以不需要次级光学器件，因此，不存在次级光学器件引起的光损失。只需计算灯具损失，假定灯具反射杯的反射率为85％，60％的光将打到反射杯上。因此，光学效率为：

η=(100％×40％)+(85％×60％)=91％

(2)热损失

LED的相对光通量输出随着结温的上升而降低，大多数I,ED数据手册都列出了25℃下的典型光通量值，而大多数LED应用都采用较高的结温。当结温Tj>25℃时，光通量肯定比LED数据手册给出的值低。

LED数据手册中有一个曲线，给出了相对光输出与结温的关系，XLampXR—E白色LED 结温对应光通量减少曲线，如图4—21所示。该曲线通过选择特定相对光输出或特定结温，给出了其他特性值。

XLampXR—E LED在额定工作了50000h后提供了平均70％的流明维持率，结温保持在80℃以下，因此，最高合适结温为80℃。对应的最小相对光通量为85％，如图4—21所示。这一85％相对光通量是对照明热功效的估计值。

(3)电气损失

LED驱动器将可用功率源(如墙体插座交流电或电池)转换成稳定的电流源。这一过程与所有电源一样，效率不会达到100％。驱动器中的电气损失降低了总体照明效率，因为有部分输入功率浪费在发热上了，而没有用在发光上。在开始设计LED系统时，就应考虑到电气损失。

典型LED驱动器的效率在80％～90％之间。效率高于90％的驱动器的成本要高得多。驱动器效率可能随输出负载而变化，如图4—22所示。应指定驱动器工作在大于50％输出负载下，以使其效率最大、成本最低。对于室内应用，驱动器效率为87％的估值较好。室外用或非常长的使用寿命的驱动器，效率可能要低一些。

3．计算需要的LED数量

(1)实际需要的流明量

根据设计目标和估计的损失程度，可以计算满足设计目标的LED数量。所有系统效率估算好之后，就可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。因电气效率只影响总功耗和灯具效率，而不影响照明的光输出量。实际流明B s的计算如下：

Bs=BM/(ηG x ηR) (4—6)

式中，Bs为实际流明；BM为目标流明；ηG为光学效率；ηR为热效率。

(2)工作电流

另一个需要确定的是LED的工作电流，LED的工作电流对确定LED照明的效率和使用寿命很关键。因增加工作电流，则各LED的光输出会变大，因而减少了所需要的LED数量。而增加工作电流同时也带来了多个缺点：