LED灯具设计程序.docx

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1、LED 灯具设计程序一个典型的LED 灯具设计包括电学、热学以及光学的模拟计算，大功率LED 光源打算了大功率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根底。LED 芯片的研发固然重要，但灯具昀设计和研发同样不容无视。大型照明灯具的主体照明光学系统的构造包括三种设计：(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，以得到满足单只光学需求的LED 组件。(3) 将假设干个二次光学设计完成的LED 组件合并成一个有相当规模、满足照明要求配光

2、曲线的灯具，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， 要求在这些灯具中设置DC/DC 恒流驱动电路以适应LED 电流驱动的特性。这个电源既要供给 LED 所需的恒流电流输出，又要有较高的变换效率，否则就会失去LED 节能的优点， 另外本钱低也格外重要，可选择开关电源、高频电源等多种，依据电流稳定性、瞬态过冲以 及安全性、牢靠性的不同要求作不同选择。LED 光源产品另一个重要考虑因素是LED 器件的牢靠性，作为半导体器件，LED 的失效模式争论对评估LED 光源的寿命格外重要。LED 器件同样符合浴盆曲线这一失效规律， 因此如

3、何筛选早期失效器件，即加速寿命试验方法的争论显得尤为重要。提离LED 发光效率，改善散热特性，是LED 光源进展中必需解决的问题之一，与此同时，在行业协同下开展 LED 牢靠性争论，标准器件老化筛选标准，是解决 LED 光源在应用中遇到的一些问题的有效途径之一。一、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 照明必需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需确定照明要求。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

4、特性关键，依据照明灯具供给的技术参数，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。设计目标应依据照明应用需求而定，并应列出影响设计的全部其他目标，如特别光要求、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)、本钱和使用寿命。二、估量光学系统、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，依据这些限制对各系统的效率进展估量，将照明目标和系统效率结合起来，才能确 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。

5、其他的设计决策都是围绕LED 数量开放，由于 LED 数量直接影响光输出、功耗以及照明本钱。查看 LED 数据手册列出的典型光通量，用该数除设计目标流明，依据此设计方法将满足不了照明应用要求。因LED 的光通量依靠于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要LED 的数量，必需首先估量光学、热和电气系统的效率。(1)光学系统效率。通过分析光损失估量光学系统的效率。要分析的两种主要的光损失为：1) 次级光学器件。次级光学器件是不属于LED 本身的全部光学系统，如LED 上的透镜或集中片。与次级光学器件相关的损失依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。假

6、设熙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。某些光被灯具罩吸取，有些则反射回灯具。固定物的效率由照明光源的布局、灯具壳的外形及灯具罩的材料打算。LED 发光具有方向性，可到达的效率比全方向照明光源可能到达的要高得多。次级光学器件的主要目的是转变LED 的光输出。图 4 -18 将CreeXLampXR -E LED 的光束角度与目标灯具的光输出进展了比较。裸LED 的光束角度与目标灯具的格外相像， 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

7、%的光将打到反射杯上。因 此，光学效率为力一(100%40%)+(85%60%)一 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 LED 数据手册都列出了 25下的典型光通量值，而大多数LED 应用都承受较高的结温。当结温Tj 25时，光通量确定比LED 数据手册给出的值要低。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结温对应光通量削减曲线如图 4 -19 所示。该油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 在额定条件下工作 50 000h 后供给平均 70%的流明维持率，结温

8、保持在 80以下。因此，最高适宜结温为800C。对应的最小相对光通量为 85%，如图 4-19 所示，这一 85%相对光通量是比照明热成效估量值。(3)电气损失。LED 驱动器将可用功率源转换成稳定的电流源，这一过程与全部电源一样，效率不会到达100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效率，由于有局部输入功率 铺张在发热上了，而没有用在发光上。在开头设计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%的驱动器的本钱要高得多。驱动器效率可随输出负载而变化，如图 4 -20 所示。应指定驱动器工作在大于 50%输出负载下，以使效率最大，并使本钱最低。

9、对于室内应用，驱动器效率为87%的估值较好。室外 用或要求有格外长的使用寿命的驱动器，效率可能要低一些。三、计算需要的 LED 数量(1)实际需要的流明量。依据设计目标和估量的损失程度，可以计算满足设计目标的LED 数量。全部系统效率估算好之后，就可计算要到达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Bs 的计算如下Bs=BM/77G犯 (4-9)式中：Bs 为实际流明；BM 为目标流明；77G 为光学效率；77R 为热效率。(2) 工作电流。LED 的工作电流对确定LED 照明的效率和使用寿命是很关键的。因增加工作电流，则各LED 的

10、光输出会变大，因而削减了所需 LED 的数量，而增加工作电流同时也带来多个缺点：1) 成效降低。工作电流提高会降低功LED 产生的成效，一般电源尺寸大小将随着工作电流的提高而增大，由于产生一样的流明数需要的功率更大。2) 最高环境温度阵低或使用寿命缩短。电流的提高将增大LED 结和LED 热通道的温差，实际上，由于已经确定了最高结温，因此这样可以降低照明的最高环境温度，反之，假设最高环境温度不是降低，而是上升，则在LED 的使用寿命期内，光源输出下降会更快。依据应用的不同，考虑到每只LED 流明输出值更高，这些缺点是可以承受。使用寿命和成效是应优先考虑的设计目标，以 XLampXR -E 数据

11、手册所列 1W 的LED 的最小工作电流为 350mA，可最大限度提高LED 成效并延长使用寿命。(3) LED 数量。工作电流确定之后，就可以计算各LED 的流明输出数。由于LED 的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了，故LED 供给商供给的技术参数可以直接使用。在设计中应使用LED 技术参数中的最小光通量，而不是LED 技术参数中给出的典型值。依据此最小光通量来设计，可确保设计满足目标要求。假设要求实际流明 Bs 为 10501m， 使用 4000KCCT 的 XLampXR -E LED，350mA 时的最小光通量为 67. 21m。LED 的数量SLED 计算如下SLEDBs/

12、BD 一 1050lm67. 21m 一 16 只LED 式中：SLED 为LED 的数量；Bs 为实际流明；BD 每只LED 酌流明数。四、选择最正确设计所需 LED 数量计算好之后，考虑满足设计目标的全部设计可能。由于每只LED 都是一个照明光源，比传统照明的使用寿命要长很多，因此 LED 可以与型和格外规设计元件一起集成到照明系统中。设计中可以充分利用LED 发光的方向性和大量可用的次级光学器件来优化初步设计。(1) 光学系统选项。LED 灯具的光学二次开发在整个灯具设计过程中扮演了格外重要的角色，在整个灯具的整体设计流程中应当是优先考虑的一环节。常用反射式LED 二次光学设计有：1)

13、反射式的二次光学设计。反射式的二次光学设计主要是利用各种二次曲线独立或组合成反射器，并在反射面镀反射率高的银、铝或铬等材料。在这种构造中有接近50%的光 线是直接射出，而经过反射面反射的光线也能通过膜层对反射率的把握减小吸取损失，因此反射式设计能实现高的灯具效率。但 LED 是向半空间发光的光源，一般构造反射器对光源包络角有限，不易实现宽角度的蝙蝠翼配光，需要多列反射器依确定角度来排列协作，或者转变反射器和光源的相对位置增大反射器包络角。前一种解决方法需要增加灯具底座构造和LED 发光阵列的协作程度， 而后种方式要求反射器曲面外形的设计趋于精细，有时应考虑承受白由曲面反射器以满足配光要求。2)

14、 折射式的二次光学设计。在比照度均匀度有较高要求的场合，可考虑承受基于配光 透镜的二次光学设计。配光透镜的功能是在被照面产生矩形的亮度均匀的照明光斑。现有LED 的光强分布多是关于主光轴旋转对称的朗伯分布。要将旋转对称的光分布重安排， 形成最终的矩形光斑就打算了配光透镜必需是自由曲面的光学透镜。在二次光学设计时需准确建立光源的发光模型，同时确定目标照明区域的光线分布，以此为依据列出光线出入配光透镜前后的变换方程并求解得到配光透镜出光面的具体形式。3) 反射和折射相结合的二次光学设计。单纯用非球面反射器的构造由于包络角有限的 缘由，有一局部光线将从透镜四周漏出，不能得到有效利用。因此有必要在透镜

15、的构造上再 增加反射器，对LED 光通量进展充分有效的收集和利用。另外，一种非球面的复眼透镜也是产生均匀光斑的有效构造，承受复眼透镜的二次光学器件也是由反光杯和透镜组合而成， 反光杯收集光线并将其调制为相对平行的光束后再由复眼透镜将光以确定角度发散出去，这 种构造机理明确，到达均匀舒适的照明效果。在商业照明领域，目前国内常用的光学软件主要分为两类：照明工程设计软件和灯具 配光设计软件，照明工程设计软件的作用是依据已有的标准化灯具制定一套最正确的使用方案， 为用户供给最好的视觉需求。目前，常见的照明工程设计软件有DIALux、OxyTech 等；灯具配光设计软件的作用是依据光源的特点以及期望的光

16、学效果设计出相应的光学器件。以 LED 灯具为例，LED 用反光杯和透镜就是常用的实现期望光学效果的光学器件。1) 裸 LED 和现有灯具反射器。现有CFL 灯具的角度和LED 的角度格外相像，因此， 假设选则不使用次级光学器件。可使本钱最低，并且系统光损失最小。使用的元件较少，所用费用也较少，可使照明系统组装更简洁并且费用更低。缺点是会消灭多照明阴影效应，假设LED 的光分布与目标照明的光分布差异很大，就不能承受此方法，则应承受次级光学器件。2) 带有次级光学器件的LED 和现有灯具反射器。次级光学器件是除LED 初级光学器件外附加的光学元件，用于对 LED 的光输出进展整形。一般的次级光学

17、器件类型为反射光从某个外表反射回或折射光通过折射材料弯曲，折射材料通常为玻璃或塑料。次级光学器件可以通过购置标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。每只 LED 使用一个次级光学器件，各LED 的光束角度兢可以定制，从而得到所需的准确光输出。例如，可以缩小各 LED 的光束角度，可优化点照明，而不是能优化一般照明。承受次级光学器件存在以下缺点： 由于增加了元件并且装配较简洁，所以照明的本钱较高。 由于光学器件连接到各LED 上，可能照旧存在多照明阴影。 次级光学器件会降低光学系统的成效。3) 不是每只LED 都需要使用一个光学器件，整个LED 阵列可以使用一个漫射器来传播光。

18、这种方法的优点是光束角度比裸LED 能到达的光束角度宽，并且消退了多照明阴影效应，光照度分布、多源阴影效应和美观度通常也打算了光学系统的选择。常见的LED 用光学器件形式有反光杯和透镜，各有优点和局限性，应当依据需要来选择。相比于反光杯，透镜对光的损耗要大，而且透镜还存在色散问题；但是，在处理小角度例如：光束角 20。以下的配光需求时，反光杯会显得很笨拙，而透镜则比较简洁。(2) 热系统选项。灯体的热构造设计是制作 LED 灯具的一个不容无视的问题，在热设计中最低本钱方法是将现有设计的灯具壳体作为LED 照明的灯具壳体，但在设计时不能承受这种方法，因多数现有灯具壳体都是钢制的，热导性差。一般来

19、说，选择钢罩不利于散热。在设计中购置成品的散热片，因这种成品的散热片的设计经过验证，制造商有完整的技术指 标，但其性能、尺寸和外形可能没有面对目标应用而优化。承受定刮方案可为应用供给了优 化散热片，但设计中需要利用热仿真软件，或依据目标应用及LED 的特性进展热设计。加工和制造费用可能使定制散热片的单位本钱高于成品散热片的本钱。目标照明的本钱、可用的散热片开发时间以及目标最高环境温度常打算了热系统的选择。一般来说，在降低本钱比最高环境温度更重要的状况下，选成品散热片更好。在最高环境温度更重要的状况下，选定制散热片更优如室外照明或条件不好的室内照明。LED 照明假设使用热阻为 0.47/W 的成

20、品散热片，使用这一散热片热的最高环境温度可以用下式计算TjTa+(Rthb-aPtotal)+(Rthj-.pPLED) (4- 10)式中：Ti 为 LED 结温，Ta 为环境湿度，R。hb-。为散热片的热阻，PLED 为单只LED 的功耗，PLED 一工作电流IF 该工作电流下的典型电压值UF总功耗P。iLED 数PLED，R。hj 一。pLED 封装热阻。假设照明的参数为：Tj，MAX 一 80；R。hb-。-0. 47/W; PLED0.35A3.3V 一 1.155W：Ptotat 一161.155W=18. 48W; Rthj-sp =8/W，则TalVAX 一TjvIAX -(R

21、thb-；Ptotal)- (Rthj-.pPLED)- 80- (0. 47/W18. 48W) -(8/W1.155W)- 80-8.68560C -9.24 62对于室内照明应用的最高环境温度为62是可以承受，对需要最高环境温度更高的工作环境，既可以提高最大结温可能影响使用寿命，也可以改进热系统的Rthb-。例如选择更好的散热片。(3) 电气系统选项。LED 灯具的电源系统也与传统光源不同，LED 对驱动电路的要求是能保证恒流输出特征，由于 LED 正向工作时结电压相对变更区域很小，所以保证了 LED 驱动电流的恒定也就根底保证了LED 输出功率的恒定。要想使LED 驱动电路具有恒流特性

22、，从驱动电路的输出端向内看，其输出内阻抗必定是高的。工作时，负载电流也同样通过这一输出内阻抗，假设驱动电源为线性恒流源电路或通 用的开关电源加电阻电路组成，在其上将消耗很大的有功功率，所以此两类驱动电路在根本满足恒流输出的条件下，效率是不行能高的。优化的设计是承受有源电子开关电路或承受高频电流来驱动LED，承受 1)成品LED 驱动器。由于成品LED 驱动器具有参考电路设计， 对全部器件都进展电磁干扰(tMI)和安规测试，并且一般来说，批量状况下每单位的本钱最 低。所以，使用成品LED 驱动器将节约LED 灯具的设计时间和本钱。缺点是成品LED 驱动器效率通常在80%左右，因生产商的技术装备使

23、LED 驱动器的性能有较大差异，而使LED 使用寿命和工作温度有可能消灭问题。2)定制设计LED 驱动器。随着LED 照明的应用渐渐普及，更多的LED 驱动器针对应用进展了优化设计，这样效率更高，并且能获得治理部门的完全认可，但可能延长LED 灯具的开发时间。就目前大功率LED 成品特性而言，总照明效率的提高受LED 本身的影响比受驱动器的影响要大。在通用的LED 产品的开发中，承受成品LED 驱动器尽快完成产品设计，可能比定制设计优化的LED 驱动器要有利。五、LED 灯具的能效 DOE 制订的争论打算是将商用照明领域的SSL 光源效率从当前的 301m/W 提高到 1501mW 以上。依据

24、当前SSL 照明装置的能源之星打算草案，可以计算出利用现有的组件构成的SLL 照明装暨的总体能效。对于孔径略大于4 英寸、相关色温(CCT)为 3000K 的照明装置，它的最小亮度为 500lm，最小光源效率为 351mW。使用一种常见的暖白色LED作为照明光源，该LED 的额定指标为3000KCCT、350mA、3.8V 的最大正向压降。在测试条件下，LED 结温为 25，电流脉冲作用时间为 25ms。在 实际工作过程中，LED 的结温将会依据照明器材的热设计效果上升到某个稳定值。对于任何 LED 而言，随着温度的上升，其产生的亮度就会下降。相比测试值，工作在60下的LED 的亮度将会降低

25、10%。这就意味着在稳定工作状态下LED 实际发光亮度为 541m。假设将驱动器的能效考虑在内，那么可以计算出最差状况下的能效为33. 21mW。这一结果能够满足当前能源之星打算的要求。隔离型驱动器的选择对于提高整个照明装置的能效也发挥了重要作用，目前这是一个价格和性能二者之间的权衡选择问题。线性驱动器的价格是最低的，但是其能效处于 50% 60%的范围之间。开关式驱动器的能效是最高的，一般在80%85%之间。要想实现更高 的能效，就需要更简洁的电路，因此驱动器的本钱也就更高。六、样品试制和性能评估样品试制和性戗评估是 LED 照明灯具设计的最终步骤，可依据以下步骤来完成。(1) 电路板布局。依据热指标和本钱限制选择电路板材料(FR4 或 MCPCB)，依据设计的电路进展电气元器件的筛选和必要的性能测试，进展PCB 的布局和布线设计，设计中应留意的是，不能因器件的布局影响照明光输出和散热通道。(2) 构造设计。构造设计包括热设计和外观设计，在考虑散热和机械性能时要兼顾外观的美观及本钱。(3) 试验样品。试验样品是为验证设计产品的特性和功能，以验证产品的光学性能、热性能和电气系统的性能是否到达设计的目标值。(4) 修改设计。依据样品试验获得的信息，作出是否需要对样品设计进展修改。