燈具散熱、光學、驅(qū)動IC設計舉足輕重
提高散熱效能延長燈具使用壽命
燈具的壽命一直是大家所關注的主要問題之一。建構(gòu)良好的燈具散熱系統(tǒng),單靠選擇熱阻低的LED組件并不夠,必須有效降低PN接面到環(huán)境的熱阻,以盡可能降低LED的PN接面溫度,提高LED燈具的壽命和實際光通量。與傳統(tǒng)光源不同的是,PCB即是LED的供電載體,同時也是散熱載體,因此,PCB和散熱器的散熱設計也尤為重要。此外,散熱材料的材質(zhì)、厚度、面積大小及散熱接口的處理、連接方式等都是燈具廠商所要考慮的因素。
光學設計應妥善發(fā)揮LED標準
LED的方向性和點光源是不同于傳統(tǒng)光源的最典型特征之一,如何利用LED此兩大特性為燈具光學設計的關鍵。通過LED的二次光學設計,LED燈具可達到比較理想的配光曲線,如在室內(nèi)的整體照明中,要求燈具的亮度高,可使用透過率較高的燈罩以提高出光效率;另外也有燈具中加入導光板技術,使LED點光源成為面光源,提高其均勻度而防止眩光發(fā)生;此外部分輔助照明、重點照明則需要一定的聚光效果以突顯被照物,則可以選擇配一些聚光透鏡或反光杯來達到光學要求。
驅(qū)動設計須確保恒流輸出量
LED對驅(qū)動電路的要求為保證恒流輸出,因LED正向工作時,LED正向電壓相對變化區(qū)域很小,為保證LED驅(qū)動電流的恒定也就是確保LED輸出功率的恒定。另外,調(diào)光設計也是目前驅(qū)動電路的主流設計之一,此在一些情景照明中應用較多,根據(jù)不同環(huán)境調(diào)配不同亮度,充分達到節(jié)能效果。目前驅(qū)動器的主要設計方向圍繞在提高電源功率因子、降低耗電量、提高控制精度及加快響應速度為主。除了驅(qū)動電源的設計之外,PCB布線及串并聯(lián)方式也是設計考慮。
標準制定不可或缺
LED照明作為一個嶄新的領域,需要產(chǎn)品標準、測量標準、控制與接口標準等的制定,加上目前市面上的LED照明產(chǎn)品良莠不齊,眾多產(chǎn)品信息皆不夠完整,容易誤導消費者,同時還有來自包括有機發(fā)光二極管(OLED)等其他高效率光源和傳統(tǒng)低價光源之競爭,LED照明產(chǎn)業(yè)急需一套完善的標準體系來維護和促進產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。目前美國的能源部(DOE)正在積極推動關于半導體照明的相關標準,中國大陸、臺灣、韓國、日本等也都在積極展開LED標準的制定工作。
照明用大功率LED技術挑戰(zhàn)重重
雖然LED在室內(nèi)照明的重點照明和裝飾照明獲得發(fā)揮空間,但LED離真正的通用照明或者環(huán)境照明還存在諸多挑戰(zhàn),如初期成本、低色溫的發(fā)光效率、顯色指數(shù)及系統(tǒng)的可靠性等。
透過整體系統(tǒng)優(yōu)化降低初期成本
就室內(nèi)照明而言,尤其是家庭照明對成本相對比較敏感,雖然LED燈的款式不斷增加,發(fā)光效率也越來越高,但價格昂貴的問題依然存在。此有待進一步調(diào)降LED光源價格,同時須要從整體系統(tǒng)的層面去優(yōu)化設計,降低總成本。從緊湊型熒光燈在剛進入市場初期的15美元左右降低至目前的1.5美元以下,由此可知,隨著市場不斷發(fā)展,不久的將來,LED燈的價格也較為普羅大眾接受。
擺脫熒光粉限制低色溫發(fā)光效率
室內(nèi)家庭照明往往會傾向于4,000K以下的偏低色溫,暖白光讓整個環(huán)境變得較為溫馨放松;而冷白光會給人干凈、高效及明快的感覺,適合于辦公室的照明和室外的照明。而受到熒光粉的影響,LED低色溫時的發(fā)光效率往往要比高色溫時的光效低約30%。
混合紅光LED兼顧光效和顯色指數(shù)
LED的光效越高,其顯色指數(shù)往往有些偏低,而室內(nèi)照明要求能夠客觀顯示物體的明暗度與色彩性,獲得人眼直接觀察外部景物的真實效果,因而通常需要較高的顯色指數(shù)。此需要LED在發(fā)光效率提升的同時,進一步提高顯色指數(shù),但也可以通過在燈具層面混入一些紅光LED來得到顯示指數(shù)大于90的效果。
提高大電流驅(qū)動效率縮減LED成本
現(xiàn)階段,1瓦的LED驅(qū)動電流可達350~1,000毫安,但通常在大電流驅(qū)動條件下,雖然光通量提高,但整體的效率下降比較明顯,因而在整體成本和系統(tǒng)光效之間須找尋平衡,若能夠提高LED在大電流驅(qū)動下的發(fā)光效率,則可保證在較高系統(tǒng)發(fā)光效率前提下,大幅縮減所需LED顆數(shù),從而明顯降低成本。
減小LED的封裝尺寸有助于加大設計彈性
LED室內(nèi)燈具的發(fā)展在節(jié)能環(huán)保健康的前提下,也會朝藝術化、迷你化和個性化的方向發(fā)展,因而縮小LED的封裝尺寸可加大在燈具設計時的靈活性和創(chuàng)新空間。在某些須使用混光來提升顯色性的場合,較小的封裝尺寸會有利于混光透鏡的設計和混光的效果。
關鍵組件提高系統(tǒng)壽命、可靠性缺一不可
對于LED在通用照明中的應用,須從系統(tǒng)的角度來提高整體效率、壽命和可靠性。傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的系統(tǒng)組成相對簡單,而LED照明系統(tǒng)涉及多個組件(圖5)。
圖5 LED照明系統(tǒng)的組成部件(LED燈具=ED+電源+驅(qū)動+散熱+光學)
LED光源 光源緊湊高效,提供寬廣范圍的色彩和輸出功率。
電源轉(zhuǎn)換 將交流電、電池等電源高效轉(zhuǎn)換至安全的低壓恒流電源。
控制和驅(qū)動 采用電子電路對LED進行恒流驅(qū)動和控制。
熱管理 為了實現(xiàn)更長的工作壽命,LED結(jié)點溫度控制非常重要,須要分析散熱。
光學組件 將光聚焦至需要之處,要求使用透鏡、反光杯或?qū)Ч獠牧稀?/p>