LED（LightingEmittingDiode）照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過(guò)載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產(chǎn)品就是利用LED作為光源制造出來(lái)的照明器具。

    LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。

    現(xiàn)在的照明應(yīng)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(diǎn)穩(wěn)定性。因此，絕大多數(shù)普通照明應(yīng)用設(shè)計(jì)中都采用這類(lèi)LED，包括路面、停車(chē)區(qū)以及室內(nèi)方向照明。在這些應(yīng)用中，由于無(wú)需維護(hù)（因?yàn)長(zhǎng)ED的使用壽命比傳統(tǒng)燈泡的要長(zhǎng)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(guó)能源部（DOE）稱(chēng)，在新住宅建筑里，嵌頂燈是安裝普遍的照明燈。此外，DOE稱(chēng)，采用非反射燈的嵌頂燈一般效率只有50%，就是說(shuō)，這類(lèi)燈所產(chǎn)生光的一半都浪費(fèi)到燈具內(nèi)了。

    針對(duì)已有照明的設(shè)計(jì)方法

    如果目標(biāo)應(yīng)用采用構(gòu)造新型LED照明更好，那么就設(shè)計(jì)照明的光輸出，使其相當(dāng)于或者超過(guò)現(xiàn)有照明匹配具有多種優(yōu)點(diǎn)。首先，現(xiàn)有設(shè)計(jì)已經(jīng)針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以在圍繞有關(guān)光輸出、成本和工作環(huán)境而確定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)提供指導(dǎo)。其次，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的外形尺寸已經(jīng)得到認(rèn)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(cuò)誤或者夸大了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(lèi)似問(wèn)題。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，以及早期產(chǎn)品質(zhì)量的巨大差異將CFL技術(shù)的采用推遲了很多年。美國(guó)能源部意識(shí)到了早期LED照明也可能存在相同的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量問(wèn)題，并且這些問(wèn)題可能以類(lèi)似的方式延遲了LED照明的使用。作為應(yīng)對(duì)措施，美國(guó)能源部發(fā)起了“DOE SSL商用產(chǎn)品測(cè)試計(jì)劃（CPTP）”，對(duì)LED照明制造商聲稱(chēng)的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。該計(jì)劃以匿名方式測(cè)試LED照明的下列4個(gè)特性：照明光輸出（流明）、照明效率（流明每瓦）、相關(guān)色溫（開(kāi)氏度）、顯色指數(shù)。

    LED光的使用壽命很長(zhǎng)，這就可能使燈的概念變得過(guò)時(shí)了。照明級(jí)LED不會(huì)像電燈泡那樣出現(xiàn)災(zāi)難性失效。相反，照明級(jí)LED在逐漸退化到其初光輸出通量（也稱(chēng)作流明維持）的70%之前，具有至少5萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，也就是說(shuō)連續(xù)點(diǎn)亮5.7年！

    不過(guò)，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(zhǎng)到30年以上 ，如曲線1所示。過(guò)了這么多年之后，LED照明將“燒盡”，而那時(shí)LED照明技術(shù)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。

    如前面提到的，不用維護(hù)是LED照明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)LED照明，使其使用壽命長(zhǎng)并節(jié)省TCO是一個(gè)應(yīng)對(duì)LED照明原始成本高這一障礙的策略。

    表1列出了設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)步驟。為了更好地說(shuō)明這些設(shè)計(jì)概念，本文給出了一個(gè)LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計(jì)算例子。

    步驟一：確定照明需求

    LED照明必須滿足或超過(guò)目標(biāo)應(yīng)用的照明要求。因此，在建立設(shè)計(jì)目標(biāo)之前就必須確定照明要求。對(duì)于某些應(yīng)用，存在現(xiàn)成的照明標(biāo)準(zhǔn)，可以直接確定要求。對(duì)其它應(yīng)用，確定現(xiàn)有照明的特性是一個(gè)好方法。

    表2給出了確定現(xiàn)有照明特性時(shí)要考慮的主要特性。

    所有照明公司都可以提供數(shù)據(jù)文件或文檔，詳細(xì)給出其各種燈具的關(guān)鍵特性?！皾撛陉P(guān)鍵”的特性要更主觀一些，或者在制造商文檔里沒(méi)有列出。在這種情況下，由設(shè)計(jì)師確定現(xiàn)有照明的特性。

圖1說(shuō)明了例中CFL嵌頂燈的關(guān)鍵特性。

表3給出了現(xiàn)有照明的全部特性。

    步驟二：確定設(shè)計(jì)目標(biāo)

    照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設(shè)計(jì)目標(biāo)了。與定義照明要求時(shí)一樣，關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)與光輸出和功耗有關(guān)。確保包含了對(duì)目標(biāo)應(yīng)用也可能重要的其它設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(shè)計(jì)目標(biāo)。

    步驟三：估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率

    設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的參數(shù)之一是，需要多少個(gè)LED才能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。其他的設(shè)計(jì)決策都是圍繞LED數(shù)量展開(kāi)，因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。

    查看LED數(shù)據(jù)手冊(cè)列出的典型光通量，用該數(shù)除設(shè)計(jì)目標(biāo)流明，這種方法很誘人。然而，此方法太簡(jiǎn)化了，依此設(shè)計(jì)將滿足不了應(yīng)用的照明要求。

    LED的光通量依賴(lài)于多種因素，包括驅(qū)動(dòng)電流和結(jié)溫。要準(zhǔn)確計(jì)算所需要的數(shù)量，必須首先估計(jì)光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的無(wú)效率。以前原型機(jī)設(shè)計(jì)的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，或者本文提供的例子數(shù)量，都可以作為指南來(lái)估計(jì)這些損失。本節(jié)對(duì)估計(jì)這些系統(tǒng)損失的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)述。

    光學(xué)系統(tǒng)效率

    通過(guò)考察光損失估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的功效。要估計(jì)的兩種主要的光損失源為：

    1.次級(jí)光學(xué)器件

    次級(jí)光學(xué)器件是不屬于LED本身的所有光學(xué)系統(tǒng)，如LED上的透鏡或擴(kuò)散片。與次級(jí)光學(xué)器件相關(guān)的損失根據(jù)使用的特定元件的不同而變化。通過(guò)各次級(jí)光元件的典型光學(xué)效率在85%和90%之間。

    2.燈具內(nèi)的光損失

    當(dāng)光線在到達(dá)目標(biāo)物之前，打到燈具罩上時(shí)，就產(chǎn)生了燈具光損失。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回?zé)艟摺９潭ㄎ锏男视烧彰鞯牟季?、燈具殼的形狀及燈具罩的材料決定。如圖2所示，LED光具有方向性，可達(dá)到的效率比全方向照明可能達(dá)到的要高得多。

    對(duì)示例中的照明，如果照明需要次級(jí)光學(xué)器件，則只存在次級(jí)光損失。次級(jí)光學(xué)器件的主要目的是改變LED的光輸出圖像。曲線2將Cree XLamp XR-E LED的光束角度與目標(biāo)燈具的光輸出圖像進(jìn)行了比較。裸LED的光束角度與目標(biāo)燈具的非常相似，所以不需要次級(jí)光學(xué)器件。因此，對(duì)本示例照明，不存在次級(jí)光學(xué)器件引起的光損失。

    要計(jì)算本CFL示例的燈具損失，我們假定燈具反射杯的反射率為85%，60%的光將打到反射杯上。因此，光學(xué)效率為：

    熱損失

    LED的相對(duì)通量輸出隨著結(jié)溫的上升而降低。大多數(shù)LED數(shù)據(jù)手冊(cè)都列出了25℃下的典型光通量值，而大多數(shù)LED應(yīng)用都采用較高的結(jié)溫。當(dāng)結(jié)溫Tj > 25℃時(shí)，光通量肯定比LED數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的值差。

    LED數(shù)據(jù)手冊(cè)中有一個(gè)曲線，給出了相對(duì)光輸出與結(jié)溫的關(guān)系，例如如曲線3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線通過(guò)選擇特定相對(duì)光輸出或者特定結(jié)溫，給出了其它特性值。

    對(duì)本CFL示例，其照明只是為屋頂通風(fēng)的商業(yè)建筑設(shè)計(jì)的。本設(shè)計(jì)基于所列的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)光輸出、功效和使用壽命的優(yōu)先次序進(jìn)行了劃分。

    XLamp XR-E LED額定為5萬(wàn)小時(shí)后提供平均70%的流明維持率，結(jié)溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的合適結(jié)溫為80℃。對(duì)應(yīng)的相對(duì)光通量為85%，如曲線3所示。這一85%相對(duì)光通量是對(duì)本例照明熱功效估計(jì)的值。

    電氣損失

    LED驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備將可用功率源（如墻體插座交流電或電池）轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流源。這一過(guò)程與所有電源一樣，效率不會(huì)達(dá)到100%。驅(qū)動(dòng)器中的電氣損失降低了總體照明效能，因?yàn)榘演斎牍β世速M(fèi)在發(fā)熱上了，而沒(méi)有用在發(fā)光上。在開(kāi)始設(shè)計(jì)LED系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)考慮到電氣損失。

    對(duì)于室內(nèi)應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)器效率87%的估值很好。室外用或非常長(zhǎng)的使用壽命的驅(qū)動(dòng)器，效率可能要低一些。

表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統(tǒng)的效率。

    步驟四：計(jì)算需要的LED數(shù)量

    實(shí)際需要的流明量

    所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計(jì)算要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的實(shí)際LED流明數(shù)。對(duì)本計(jì)算，只使用光效率（光學(xué)和熱）。電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。示例照明“需要的實(shí)際流明”的計(jì)算如下：

    所需的實(shí)際流明=目標(biāo)流明/（光學(xué)效率×熱效率）=810/（91%×85%）=1,050lm

    工作電流

    另一個(gè)需要確定的是LED的工作電流。工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時(shí)很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會(huì)變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過(guò)，增加工作電流同時(shí)也帶來(lái)多個(gè)缺點(diǎn)，如表6所示。根據(jù)應(yīng)用的不同，考慮到每個(gè)LED流明輸出值更高，這些缺點(diǎn)也許可以接受。

    對(duì)示例照明，使用壽命和功效是應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本照明以XLamp XR-E數(shù)據(jù)手冊(cè)所列的工作電流（350 mA）工作，以限度提高LED功效并延長(zhǎng)使用壽命。

    LED數(shù)量

    工作電流確定之后，就可以計(jì)算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計(jì)算中考慮到了，故LED供應(yīng)商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。

    本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時(shí)的光通量為67.2 (P2 flux bin)。LED的數(shù)量計(jì)算如下。

    LED的數(shù)量=實(shí)際所需的流明數(shù)/每個(gè)LED的流明數(shù)＝1,050 lm / 67.2 lm=16個(gè)LED

    步驟五：考慮所有設(shè)計(jì)可能并選擇設(shè)計(jì)

    LED數(shù)計(jì)算好之后，考慮滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的所有設(shè)計(jì)可能。由于每個(gè)LED都是一個(gè)小照明，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長(zhǎng)許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設(shè)計(jì)元件一起集成到照明中。設(shè)計(jì)師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級(jí)光學(xué)器件來(lái)構(gòu)造原始設(shè)計(jì)，。

    本節(jié)的其余部分對(duì)本示例LED照明的各系統(tǒng)(光學(xué)、熱和電器)的3個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)每個(gè)系統(tǒng)，給出了選項(xiàng)的選擇指南。

    光學(xué)系統(tǒng)選項(xiàng)

    1.裸LED和現(xiàn)有燈反射器

    如前面所述，現(xiàn)有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選則不使用次級(jí)光學(xué)器件。本選項(xiàng)可使成本，并且系統(tǒng)光損失。使用的元件較少，人力也較少，這樣使照明安裝更簡(jiǎn)單并且費(fèi)用更低。

    缺點(diǎn)是會(huì)出現(xiàn)多照明陰影效應(yīng)，下面將對(duì)此予以說(shuō)明。另外，如果LED的光分布與目標(biāo)照明的光分布差異很大，就不能采用此方法。

    2.帶有次級(jí)光學(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器

    次級(jí)光學(xué)器件是除LED初級(jí)光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對(duì)LED的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級(jí)光學(xué)器件類(lèi)型為反射（光從某個(gè)表面反射回），或者折射（光通過(guò)折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料）。次級(jí)光學(xué)器件可以通過(guò)購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過(guò)光線跟蹤模擬來(lái)設(shè)計(jì)定制。

    每個(gè)LED使用一個(gè)次級(jí)光學(xué)器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準(zhǔn)確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，為點(diǎn)照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。

    這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，因?yàn)樵黾恿嗽⑶已b配較復(fù)雜，所以照明的成本較高。其次，由于光學(xué)器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。，次級(jí)光學(xué)器件會(huì)降低光學(xué)系統(tǒng)的功效。

    3.裸LED，現(xiàn)有的燈反射器和漫射器

    不是每個(gè)LED都使用一個(gè)光學(xué)器件，整個(gè)LED陣列可以使用一個(gè)漫射器來(lái)傳播光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束角度比裸LED能達(dá)到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應(yīng)。

    選項(xiàng)2的缺點(diǎn)是成本較高，并且光學(xué)系統(tǒng)的功效低。由于漫射器只能發(fā)散光，不能聚集，所以，如果光分布必須窄于裸LED的分布，則不能選擇這種方法。

    光照度分布、多源陰影效應(yīng)和美觀度通常決定了光學(xué)系統(tǒng)的選擇。如果光輸出必須比裸LED的光輸出窄，就只能選擇選項(xiàng)2。否則，選項(xiàng)1在成本、功效和亮度上要更好。不過(guò)，選項(xiàng)1和2都有多源陰影效應(yīng)。

    另外，用戶查看選項(xiàng)1和2時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)單個(gè)的LED，而使用選項(xiàng)3的用戶只能看見(jiàn)一個(gè)發(fā)散而均勻的照明。

    多源陰影效應(yīng)

    多源陰影效應(yīng)是當(dāng)物體位于多個(gè)照明之間時(shí)，表面出現(xiàn)多個(gè)陰影的現(xiàn)象。大多數(shù)人都見(jiàn)過(guò)安裝在浴室水池上方的多個(gè)燈泡，會(huì)注意到后面墻壁上有多個(gè)自己的影子，這就是多源陰影效應(yīng)。

    布局很近的LED將產(chǎn)生多個(gè)相互接近的陰影。在目標(biāo)應(yīng)用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設(shè)計(jì)師要決定，對(duì)目標(biāo)應(yīng)用，多陰影效應(yīng)的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應(yīng)而帶來(lái)的額外光學(xué)損失是否值得。

    熱系統(tǒng)選項(xiàng)

    1.現(xiàn)有燈具罩

    成本選項(xiàng)是將現(xiàn)有設(shè)計(jì)的燈具罩作為L(zhǎng)ED照明的罩和新照明設(shè)計(jì)顯然不能選擇這一選項(xiàng)。另外，多數(shù)現(xiàn)有罩都是鋼制的，熱導(dǎo)性差。一般來(lái)說(shuō)，選擇鋼罩不利于散熱。

    2.現(xiàn)成的散熱片

    另一個(gè)選項(xiàng)是購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，制造商有完整的技術(shù)指標(biāo)。不過(guò)，其性能、尺寸和形狀可能沒(méi)有面向目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化。

    電氣系統(tǒng)選項(xiàng)

    1.現(xiàn)成的LED驅(qū)動(dòng)器

    由于現(xiàn)成LED驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)可以使用了，并且有參考電路設(shè)計(jì)，所以，使用現(xiàn)成的LED驅(qū)動(dòng)器將使設(shè)計(jì)時(shí)間快。對(duì)所有零件都進(jìn)行電磁干擾（EMI）和安規(guī)測(cè)試，并且一般來(lái)說(shuō)，批量情況下每單位的成本。

    缺點(diǎn)是現(xiàn)有LED驅(qū)動(dòng)器效率通常在80%中間范圍。根據(jù)銷(xiāo)售商和應(yīng)用的不同，使用壽命和工作溫度也可能是個(gè)問(wèn)題。

    2.下一代LED驅(qū)動(dòng)器

    隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導(dǎo)體公司都在將注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化LED設(shè)計(jì)。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)進(jìn)行合作，這樣效率更高，并且能獲得管理部門(mén)的完全認(rèn)可。

    3.定制設(shè)計(jì)

    開(kāi)發(fā)和批準(zhǔn)由設(shè)計(jì)師承擔(dān)。即使在開(kāi)發(fā)之后，每單位成本也可能高于現(xiàn)有方案。另外，不要忘記，在LED照明開(kāi)發(fā)期間，驅(qū)動(dòng)器公司會(huì)一直開(kāi)發(fā)效率更高且更廉價(jià)的驅(qū)動(dòng)器。

    可以利用的開(kāi)發(fā)資源和目標(biāo)效率通常決定了電氣系統(tǒng)的選擇。在目前的大功率LED環(huán)境下，總照明效率的提高受LED本身的影響比受驅(qū)動(dòng)器的影響要大。盡快完成產(chǎn)品可能比試圖等電氣設(shè)計(jì)更完美后要有利。

    步驟六：步驟

    表8詳細(xì)給出了構(gòu)建和評(píng)估原型照明的步驟，一旦作出設(shè)計(jì)決定，可按照該步驟來(lái)完成。

    從哪里得到幫助

    整個(gè)LED照明設(shè)計(jì)步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到終設(shè)計(jì)的Cree目前的合作伙伴的聯(lián)系方法。