高功率LED室内照明的灯具技术解析

 

　　LED照明市场商机为业界带来无穷想象空间，LED照明应用已经从过去室外LED跳向室内照明应用。根据Strategies Unlimited统计，未来五年内LED室内照明的发展将有指数型增长趋势。按照估计，至2011年，其产值将高达数百亿美元。尤其是2009年欧盟率先实施禁用白炽灯计划，以及节能议题备受关注，造就了LED室内照明巨大的市场机遇和乐观的前景。下文从散热技术、光学设计和驱动设计等灯具技术的需求，分析高功率LED 在室内照明领域中的发展。

　　高功率LED照明的发展

　　高功率LED照明的发展取决于两大元素：一是芯片本身；二是灯具技术，包含散热、光学、驱动。而外在环境还需要量看国家以及国际对LED产品的标准制定。

　　一、芯片的发展

　　目前，LED 芯片技术发展的关键在于基底材料和外延生长技术。基底材料由传统的蓝宝石材料、硅和碳化硅，发展到氧化锌、氮化镓等新材料。无论是面向重点照明和整体照明的高功率芯片，还是用于装饰照明和一些简单的辅助照明的低功率芯片，技术升级的关键都关乎如何开发出更高效、更稳定的芯片。在短短数年内，借助于包括芯片结构、表面粗化处理和多量子阱结构设计在内的一系列技术改进，LED 在光效方面实现了巨大突破。图1是LED 芯片结构的发展示意图。随着生产技术的逐渐成熟，LED 量子效率将进一步提高，LED 芯片的光效也将随之增强。

　　

　　图1：LED 芯片结构的发展历程

　　薄膜芯片技术是超亮 LED 芯片生产中的核心技术，能够减少各侧面的光输出损耗，并能借助底部的反射面使 97% 以上的光线从正面输出（见图 2）。这不仅显着提高LED 的光效，还为透镜设计创造了优越的便利条件。

　　

　　图2：正面光输出—— 普通LED与薄膜技术LED 的对比

　　二、灯具技术的需求

　　1．散热技术

　　大众一直关注灯具的使用寿命。若仅仅依靠使用低热阻的 LED 元件是未能为灯具装置构建良好的散热系统，而必须有效地减小从 PN 节点到周围环境的热阻，才能大大降低 LED 的 PN 节点温度，而成功实践延长 LED 灯具的使用寿命并提高实际光通量的目标。有别于一般传统灯具，印刷电路板既是 LED 的供电载体，也是 LED 的散热载体，所以散热片和印刷电路板的散热设计十分重要。除此之外，灯具制造商还须考虑散热材料的质量、厚度和尺寸以及散热界面的处理和连接等因素。

　　2．光学设计

　　与传统灯具比较，定向性和点光源是 LED 最典型的两大特点，而如何善用 LED 的这两大特点便是灯具光学设计的关键之处。透过 LED 的二元光学设计，LED 灯具能够达到更好的配光曲线。例如，在室内照明应用中灯具的光线需要十分明亮，则可使用高透光率灯罩提高光提取效率。或是将导光板技术应用到灯具中，从而将 LED 点光源更改为面光源，不但能提高灯具的配光均匀度，还可以防止眩光。另外，在一些辅助照明和重点照明应用中，为了突出要照亮的物体而需要特定的聚光效果，在这种情况下，可配合一些聚光透镜或反射器使用，以达到理想的光学效果。

　　3．驱动设计

　　必须确保 LED 驱动电流为恒流输出。当 LED 在正向电流下工作时，节点电压的相对变化非常小。因此，确保恒定的 LED 驱动电流，基本上等于确保恒定的 LED 输出电流。此外，灯光控制设计是现今主流驱动设计之一，多用于氛围照明应用中，可根据不同的环境实现不同的亮度级别，还能完全实现节能目标。目前，驱动设计的主要趋势侧重于提高功率因数、降低驱动功耗、优化控制精度和加快响应速度。在设计过程中，电源的设计、印刷电路板的布局和串并联方式都是必须考虑的因素。

　　三、设定标准

　　LED 照明是一个崭新的领域，不但需要设定产品标准、测量标准、控制和接口标准等，而且需要实现进一步的标准化和协调化。目前市场上质量参差不齐的各种 LED 灯五花八门，大多产品信息并不完善，很容易令消费者误会。同时，LED 还经常面对OLED等其他高功率光源以及传统廉价光源的竞争威胁。为了维护和促进行业的健康、可持续发展，LED 照明行业急需设定一套完整的业界标准。目前，美国能源部正在积极推广半导体照明的相关标准，中国大陆、中国***、韩国、日本等国家和地区也正积极推行措施设定 LED 标准。

　　高功率LED照明的技术挑战

　　即使 LED 在室内重点照明和装饰照明应用中已有令人满意的表现，但是在普通照明和氛围照明应用中仍然面临许多挑战，包括初置成本、色温较低时的光效、显色指数和系统可靠性等。

　　a．进一步降低初置成本

　　成本是室内照明中相对比较敏感的因素，特别是在家居照明应用中。尽管 LED 灯型号越来越多，光效也在不断提高，但是价格高这个问题仍然存在。但是当LED光源价格降低，系统设计的整体优化，总成本就必然下降。回想紧凑型节能日光灯首次投放市场时，成本约为 15 美元，如今已降至 1.50 美元以下。因此，可以推断，随着市场的不断发展，LED 灯的价格很快便能到大众可以接受的程度。

　　b．提高低色温时的光效

　　4，000K 以下的低色温通常是室内家居照明的首选。暖白光令整个环境更加温暖和放松；而冷白光则给人洁净、高效、明亮的感觉，较适用于办公室和室外照明。因为荧光粉的原故，低色温时 LED 的光效通常会比高色温时低大约 30% 。

　　c．管理光效和显色指数

　　在一般情况下，LED 的光效越高，显色指数越低。室内照明通常要求 LED 具有更高的显色指数，才能客观显示物体的亮度和颜色及达到肉眼直接观察外部景观时的真实效果。为此，提高 LED 光效的同时，还需要进一步提高显色指数。另一种方法则是在灯具表面添加一些红光，从而达到显色指数超过 90 的效果。

　　d．提升高电流驱动期间的效率

　　现时，通常可以将 1W LED 的电流从 350mA 加大到 1，000mA。然而，在高电流驱动下，即使光通量增加，整体效能通常也会相对显着下降。因此，必须平衡系统总成本和光效。如果可以在高电流驱动下提高 LED 的光效，则只要确保提供更高的系统光效，就可以大大减少所需的 LED 数量，从而大幅减低成本。

　　e．进一步缩小 LED 的封装尺寸

　　除了环保、节能、无公害外，室内LED还具艺术性、尺寸小和能彰显个性这些特点。而通过进一步缩小 LED 封装尺寸，可以令灯具设计更具灵活性和创新空间。对于需要用混合照明以提高显色性的应用场合，较小的封装尺寸非常有助于实现混合光透镜和混合光效设计。

　　f．延长使用寿命、提高系统可靠性

　　在一般照明应用中，LED 的整体效率、使用寿命和可靠性必须通过系统优化才能得以提升。传统灯具的系统组装比较简单，而 LED 照明系统则涉及多个元件，如图 3 所示。

　　LED 光源：紧凑、高效，有多种颜色和输出功率可供选择。

　　电源转换：将交流电、电池和其他电源高效转换为安全的低电压、恒流电源。

　　控制和驱动：使用电子电路实现 LED 的恒流驱动和控制。

　　热管理：若要达到更长的使用寿命，控制 LED 节点温度显得十分重要，散热分析也不可或缺。

　　光学元件：透镜、反射器或导光板材料是将光线聚焦在目标区域必需的光学元件。

　　

　　图3：LED 照明系统的元件

　　（LED 灯具 = LED + 电源 + 驱动 + 散热 + 光学元件）

         应用于室内照明的LED光源介绍

　　如前文所言，小巧、高效都是选择LED作光源的重要考虑因素。OSLON SSL LED 是欧司朗光电半导体的最新产品，其功率约为 1W。如图 4 所示，该款 LED 主要设计用于普通室内照明，外形小巧，封装尺寸仅为 3mm x 3mm，而且性能稳定、可靠，发光效率卓越，最大光效超过 100lm/w。即使在高电流下，它也能维持卓越的发光效率，进而有效降低灯具的整体成本。且具有极高的可靠性和 80°的光束角，所以能够顺利地将光线投射到外部透镜上。该款 LED 还是室内照明的聚光灯、台灯和天花板泛光灯的理想光源。

图4：小型、高效的 OSLON LED

　　由于这款 LED 能够有效处理高电流，因此可以助消费者创建极其节能和节约成本的照明解决方案。就这点而言，OSLON SSL LED 具备成为未来“绿色”光源的所有特性。该款 LED 的热阻低至 7K/W，散热管理更加简单，其小巧的外形更是使设计师可以更灵活地创建复杂精致的照明解决方案。如果需要等别强的光线，则可以与一些灯具搭配使用。除了超白光（色温为 5,700 ～ 6,500K）版本，还有中白光和暖白光（色温为 2,700 ～ 4,500K）版本。

表1：OSLON SSL LED 的主要参数

　　OSLON SSL LED 采用最新的芯片技术制造而成，确保了极高的光效。OSLON SSL  LED 的主要参数如表1 所示。目前，当工作电流为 350mA 时，光源的超白光（色温为 5,700K 和 6,500K）典型亮度高达 110lm，光通量最大达到 130lm。当工作电流为 350mA且色温为 3,000K 时，其典型光效可达 75lm/W，亮度则达 85lm。当工作电流为 700mA（暖白光）时，亮度高达 155lm，即可降低单位流明成本的，亦能维持极高的光效，即使少量 LED 亦可实现高标准的照明。

　　例如，只需要七颗 OSLON SSL LED，即可设计出一盏约 15W 的 LED 聚光灯（见图 5）。当驱动电流为 700mA 时，LED 灯的亮度可达近 1,400lm，而且尺寸非常小巧。有赖它的 80° 光束角，搭载反射器或透镜时，光效仍非常高。即使将散热和光损耗考虑在内，灯具的最终光通量也可超过 1,000lm。此外，当需要不同的色温或显色指数时，这七颗 LED 中只有少数须更换为暖白光或其他单色 OSLON SSL LED。这样，既可获得任何色温或更高的显色性，也大大增加 LED 灯的设计灵活度。

图5：采用七颗 OSLON LED 制成的 LED 聚光灯

　　小结：

　　LED目前虽已广泛应用于室外照明工程特别是景观照明中，但在室内照明工程中，LED 的应用仍在起步阶段，主要是因为初置成本过高，另一个原因则是室内LED照明对光线的颜色质量要求更高。

　　随着LED 技术的快速发展以及LED光效的逐步提高，LED 的应用将越来越广泛。特别是随着全球性能源短缺问题的日益严重，人们越来越关注 LED 在照明市场的发展前景，LED 将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的潜力光源。此外，在室内灯具设计方面，LED 将趋向节能化、人性化和艺术化。而OSLON SSL LED 符合室内照明应用的各种要求：它不仅封装尺寸小至3mm x 3mm，而且性能稳定可靠；它的最大光效超过100lm/w，即使在高电流下也能保持卓越的光效，进而有效降低灯具的整体成本；此外，因为其80°光束角，所以能够顺利地将光线投射到外部透镜或反射器上。总之，OSLON SSL LED 是室内灯具的理想光源。