大功率LED在照明設(shè)計中需要解決的問題

摘要:本文通過對大功率LED在城市照明燈具設(shè)計應(yīng)用中遇到的實際問題的詳細(xì)分析,結(jié)合LED領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀和行業(yè)特性,討論了LED燈具設(shè)計時拯待解決的系列問題,特別是對制約燈具發(fā)展的散熱和驅(qū)動兩大難題。建議在加強行業(yè)合作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時,燈具制造企業(yè)對燈具進一步合理科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計時,必須依賴于LED研制單位,力求在LED封裝時,能夠在思路上大膽創(chuàng)新,除了提高發(fā)光效率,在光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)方面能為燈具設(shè)計者考慮得更多,這樣才能從根本上解決實際問題。以期共同克服制約LED應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸,共同推動LED照明產(chǎn)業(yè)的更加繁榮。關(guān)鍵詞:散熱結(jié)構(gòu);LED驅(qū)動電路;二次光學(xué)設(shè)計;光均勻性;行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TheproblemsneedtobesolvedinusinghighpowerLEDinlightingfixturedesignGongWenli(Xi’ankelingautomationtechnologyCo.,Ltd,Xi’an710119)Abstract:ThroughadetailedanalysisofthepracticalproblemsencounteredintheapplicationofhighpowerLEDincitylightningdesign,combiningwiththecurrenttechnologysituationandindustrycharacteristicsinthefieldofLED,thisarticlediscussesaseriesofurgentproblemsneedtobesolvedinLEDlampdesign,especiallythetwodifficultproblemswhichrestrictthedevelopmentofthelampsandlanterns-heatradiationanddrive.Itsuggeststhatwhilereinforcingcooperationandstandards,wemustrelyontheLEDdevelopmentunits,inordertoinnovateboldlyintrainofthoughtinLEDpackage.Besidesimprovingtheluminance,weshouldconsidermoreforthelampdesignersintheopticalpropertiesandstructuresothatwecansolvethepracticalproblemsfundamentally.WewishthatwecanovercomethebottleneckswhichrestricttheapplicationanddevelopmentofLEDtopromotetheLEDlightingindustrymoreprosperoustogether.Keywords:heatdissipationstructure;thecircuitofLEDdrives;theseconddesignofopticshomogeneity;thelight’snatureofdistributed;thevocationstandard1大功率LED照明燈具的現(xiàn)狀和優(yōu)勢人類照明的光源先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈三個時代。LED作為第四代新光源,具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全可靠性強,環(huán)保等優(yōu)良特性。許多城市已經(jīng)利用LED光源照明技術(shù)在城市燈光環(huán)境建設(shè)中,產(chǎn)生了良好的效果,像護欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列。由于LED光源的顯著優(yōu)點和白光LED技術(shù)的日臻成熟,LED光源城市道路照明系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。對節(jié)省建設(shè)資金,緩減用電矛盾,構(gòu)建節(jié)約型社會具有重大意義。1)節(jié)能,安全性高:LED光源如果設(shè)計合理,很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題。所以燈具反射·21·2008年12月燈與照明第32卷第4期損失低,燈具整體光效高,如果采用PWM數(shù)字調(diào)光系統(tǒng),更省電;目前白光LED的發(fā)光效率約為80lmPW,較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%～60%。如果和太陽能系統(tǒng)直接配套,無需額外的逆變、轉(zhuǎn)換過程,能達到最大的能源利用率。2)低維護成本,安裝維護簡便:如果燈具整體設(shè)計合理,大功率LED光源理論上可以正常使用10年不用更換,而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次,所以可以大大降低維護成本。同時采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的造價比高壓鈉燈高外,在鋪設(shè)成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。由于驅(qū)動電流小、電纜、變壓器和工程費用也相應(yīng)的減少。3)顯色性佳,配光容易:LED的顯色指數(shù)高(75～90),基本上接近自然光。光色可以人為控制,可以通過配光滿足不同照明領(lǐng)域的需求。對光照射區(qū)域的光色均勻度可控,能夠避免傳統(tǒng)光源單調(diào)色的現(xiàn)象。4)環(huán)保,便于管理:LED光源無輻射,更不會造成光污染;使用壽命長,不需要經(jīng)常進行更換,管理維護方便。2現(xiàn)階段LED燈具性能上的缺陷第一,發(fā)光效率較低,亮度不足,燈具的成本高:目前雖然試驗室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過了100lmPW,但量產(chǎn)的、性價比高的大功率白光LED發(fā)光效率還在80lmPW左右,在燈具設(shè)計中如果要提高整體的燈具亮度指標(biāo),勢必要增加LED的數(shù)量,從而增加燈具的成本。第二,地面對LED光的反射率低:由于目前白光LED光譜特征,路面及周邊物體對其反射率低,特別是瀝青路面,雖然地面的照度指標(biāo)能達到要求,但路面的亮度較低,與鈉燈的黃光相比,這是它的一個弱點。輸出功率及光通量的提高要從大功率白光LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進一步提升。第三;當(dāng)前技術(shù)下LED的光通量還不夠大,光效太低,色溫不易控制,造成燈具的整體品質(zhì)難以保證;燈具的穩(wěn)定性,可靠性難以保證;有效光的照明角度偏小、分布不均勻,光學(xué)、散熱設(shè)計復(fù)雜。3大功率LED在燈具設(shè)計中面臨的技術(shù)問題從目前市場上的LED燈具的分析結(jié)合實際的設(shè)計過程,大功率LED燈具目前存在的制約其應(yīng)用的主要技術(shù)難點有以下幾個方面。這也是燈具制造企業(yè)和LED研制單位共同關(guān)心的關(guān)鍵問題。3.1燈具的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計上有待進一步突破和提升由于LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以散熱是LED路燈需要重點解決的問題之一。LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大,并且戶外的使用環(huán)境本身比較苛刻,如果散熱不良會直接導(dǎo)致LED快速老化,穩(wěn)定性降低,除了需要LED本身具有好的散熱結(jié)構(gòu)外,應(yīng)該將路燈的殼體做為散熱的重要渠道。一般設(shè)計時將散熱面位于側(cè)上面且加散熱鰭片(如圖1和圖2的結(jié)構(gòu))。這樣有利于空氣的自然對流散熱。但是這就要求燈具必須有足夠的散熱面積從而增加了燈具的體積。如果采用圖3風(fēng)孔式對流的散熱方案,則可以適當(dāng)縮小燈具的體積。目前正在實驗階段的還有采用風(fēng)扇輔助風(fēng)冷和毛細(xì)管水冷的方案,期待能很快的得以應(yīng)用。圖1透鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖2拋物線的光學(xué)系統(tǒng)3.2驅(qū)動電源設(shè)計難度大,電路涉及的問題復(fù)雜LED恒流驅(qū)動設(shè)計方案目前最基本的是利用線性或開關(guān)型DCPDC穩(wěn)壓器結(jié)合反饋電路來恒流驅(qū)動LED。根據(jù)DCPDC穩(wěn)壓器外圍電路設(shè)計的差異,·22·2008年12月燈與照明第32卷第4期一般有電感型LED驅(qū)動和開關(guān)電容型LED驅(qū)動兩種。電感型升壓驅(qū)動方案其優(yōu)點是驅(qū)動電流較高,LED的端電壓較低、功耗較低、效率保持不變,特別適用于驅(qū)動多只LED的應(yīng)用。在大功率LED燈具設(shè)計中,主要采用開關(guān)電容型LED驅(qū)動方案,其優(yōu)點是LED兩端的電壓較高、流過的電流較大,從而可以獲得較高的功效及光學(xué)效率。因而在大功率LED驅(qū)動中得到了應(yīng)用廣泛。如果采用圖4的PWM控制調(diào)光系統(tǒng),除了可以對路燈根據(jù)時間段調(diào)節(jié)亮度外,將使得節(jié)能效果更加突出,是以后發(fā)展的必然趨勢。圖3一種風(fēng)孔式對流的散熱系統(tǒng)圖4一種典型的PWM控制LED驅(qū)動方案大功率LED路燈雖然是恒流驅(qū)動,冷態(tài)上電瞬間過高的起始峰值電壓,很有可能將LED擊穿或斷開;所以驅(qū)動電路除了做到恒流外,電路故障率高,目前發(fā)現(xiàn)的有瞬間擊穿現(xiàn)象,單顆短路擊穿以及單顆開路擊穿,則會造成整串燈死燈現(xiàn)象。所以面臨復(fù)雜的工況,LED驅(qū)動電路設(shè)計時必須考慮以下幾個問題:1)電源必須具有高可靠性,高效率驅(qū)動,具有高功率因數(shù):LED路燈用在高空,維修很困難;可靠性必須得以保證。高的電源效率,耗損功率自然就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰能提供同步的輔助作用。2)電路要有浪涌保護:LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。這方面的保護在電路設(shè)計時也很重要。LED路燈戶外使用。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng),從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌,有些浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。電源除了常規(guī)的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋,防止LED溫度過高。3)電源要具備其他電氣性能;要防水、防潮,外殼要耐高低溫沖擊;驅(qū)動電源的設(shè)計使用壽命要與LED的壽命相適配;要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。3.3二次光學(xué)設(shè)計難度大,可發(fā)揮的空間有限LED照明屬于點光源,因此其光學(xué)設(shè)計,包括初級透鏡或反光裝置的設(shè)計和二次光學(xué)的設(shè)計等是一大應(yīng)用難點。LED路燈存在的特殊要求主要是LED光強和發(fā)光角度的設(shè)計,多顆LED組合時,必須考慮出光照射的區(qū)域。由于LED的光輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用,通過合理的二次光學(xué)設(shè)計,能使LED的光照范圍、配光曲線基本上符合道路照明的需求,但是很難做到理想化。圖1和圖2的光學(xué)結(jié)構(gòu)為目前路燈普遍采用的二次光學(xué)設(shè)計方案,但在細(xì)節(jié)上均存在著光損問題和路面分布不均勻的情況。當(dāng)然也有些廠家采用直接出光(無二次光學(xué)系統(tǒng))的方法,雖然可以解決一些問題,但有相當(dāng)一部分側(cè)射光白白浪費。由于LED本身的發(fā)光原理和體系結(jié)構(gòu)造就了在二次燈具應(yīng)用設(shè)計中再次突破和創(chuàng)新受到極大的限制。當(dāng)然,這方面諸如青蛙復(fù)眼原理的全向發(fā)光等方面的·23·2008年12月燈與照明第32卷第4期研究有待于進入應(yīng)用領(lǐng)域。3.4燈具的外觀造型受到限制,工藝上有待改善由于LED燈具需要較好的散熱系統(tǒng),加之LED光源的單向性,使得燈具的外觀造型和材料的選用上都受到了很大的局限,很難作到流線型的外觀。且要達到IP65的防護等級要求,這些都得從加工工藝上來保證。3.5光均勻性差,路面的實際光效不夠理想大功率LED光源燈具目前普遍采用兩種成熟的方案,一種是使用小功率支架型LED作組合,一般多達上百顆甚至數(shù)百顆,電源設(shè)計復(fù)雜。另一種是使用大功率LED管作陣列排布,效果較理想但價格相對高些。在城市道路照明燈具設(shè)計中,雖然通過兩種方案都解決了亮度不足問題,但由于路燈照明是遠(yuǎn)距離,大范圍的覆蓋,所以目前的LED路燈普遍存在路面光均勻性差,形成斑馬紋,“暗帶”“亮帶”現(xiàn)象。單個LED存在個體之間存在色差誤差,多個組合時,色差問題就很突出;雖然可以通過配光改善光色,但是要徹底達到理想的自然光效目前還處在摸索階段。3.6缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)政策的支持雖然部分企業(yè)聯(lián)合學(xué)術(shù)界對LED路燈相關(guān)問題進行了研討,但還無相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,無法全面推廣,造成LED生產(chǎn)廠家和燈具生產(chǎn)廠家存在技術(shù)上的銜接障礙,幾個主要參數(shù)如色溫、顯色性(顯色指數(shù))和眩光等尚未明確的規(guī)定。4對LED照明產(chǎn)業(yè)的期望和建議現(xiàn)有的路燈標(biāo)準(zhǔn)是建設(shè)部新制定的“城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”(CJJ45-2006),于2007年7月1日開始執(zhí)行,其中未提到使用LED路燈的問題。在此,相關(guān)部門應(yīng)組織有關(guān)人員認(rèn)真討論,采用LED路燈能否符合上述設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或需要提出哪些補充修改意見作為正式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。另外,應(yīng)該盡快制定適合LED路燈的道路路面測試方法標(biāo)準(zhǔn),制定LED路燈的燈具(含LED燈)標(biāo)準(zhǔn),提出LED路燈的主要參數(shù)包含色溫、顯色指數(shù)、眩光、發(fā)光強度(或照度)、角度以及熱阻和可靠性等指標(biāo)要求,制定LED路燈的燈具測試方法標(biāo)準(zhǔn),建立公正的權(quán)威