大功率LED在照明设计中需要解决的问题

摘要:本文通过对大功率LED在城市照明灯具设计应用中遇到的实际问题的详细分析,结合LED领域的技术现状和行业特性,讨论了LED灯具设计时拯待解决的系列问题,特别是对制约灯具发展的散热和驱动两大难题。建议在加强行业合作和标准规范的同时,灯具制造企业对灯具进一步合理科学的优化设计时,必须依赖于LED研制单位,力求在LED封装时,能够在思路上大胆创新,除了提高发光效率,在光学特性和结构方面能为灯具设计者考虑得更多,这样才能从根本上解决实际问题。以期共同克服制约LED应用和发展的瓶颈,共同推动LED照明产业的更加繁荣。关键词:散热结构;LED驱动电路;二次光学设计;光均匀性;行业标准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照明灯具的现状和优势人类照明的光源先后经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三个时代。LED作为第四代新光源,具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强,环保等优良特性。许多城市已经利用LED光源照明技术在城市灯光环境建设中,产生了良好的效果,像护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列。由于LED光源的显著优点和白光LED技术的日臻成熟,LED光源城市道路照明系统有着广阔的应用前景。对节省建设资金,缓减用电矛盾,构建节约型社会具有重大意义。1)节能,安全性高:LED光源如果设计合理,很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题。所以灯具反射·21·2008年12月灯与照明第32卷第4期损失低,灯具整体光效高,如果采用PWM数字调光系统,更省电;目前白光LED的发光效率约为80lmPW,较传统高压钠灯可以节电50%～60%。如果和太阳能系统直接配套,无需额外的逆变、转换过程,能达到最大的能源利用率。2)低维护成本,安装维护简便:如果灯具整体设计合理,大功率LED光源理论上可以正常使用10年不用更换,而传统高压钠灯平均1年半就要更换一次,所以可以大大降低维护成本。同时采用LED路灯除了在单灯成本及最初安装的造价比高压钠灯高外,在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯。由于驱动电流小、电缆、变压器和工程费用也相应的减少。3)显色性佳,配光容易:LED的显色指数高(75～90),基本上接近自然光。光色可以人为控制,可以通过配光满足不同照明领域的需求。对光照射区域的光色均匀度可控,能够避免传统光源单调色的现象。4)环保,便于管理:LED光源无辐射,更不会造成光污染;使用寿命长,不需要经常进行更换,管理维护方便。2现阶段LED灯具性能上的缺陷第一,发光效率较低,亮度不足,灯具的成本高:目前虽然试验室水平大功率白光LED的发光效率已经超过了100lmPW,但量产的、性价比高的大功率白光LED发光效率还在80lmPW左右,在灯具设计中如果要提高整体的灯具亮度指标,势必要增加LED的数量,从而增加灯具的成本。第二,地面对LED光的反射率低:由于目前白光LED光谱特征,路面及周边物体对其反射率低,特别是沥青路面,虽然地面的照度指标能达到要求,但路面的亮度较低,与钠灯的黄光相比,这是它的一个弱点。输出功率及光通量的提高要从大功率白光LED的外延技术、芯片工艺等基础层次进一步提升。第三;当前技术下LED的光通量还不够大,光效太低,色温不易控制,造成灯具的整体品质难以保证;灯具的稳定性,可靠性难以保证;有效光的照明角度偏小、分布不均匀,光学、散热设计复杂。3大功率LED在灯具设计中面临的技术问题从目前市场上的LED灯具的分析结合实际的设计过程,大功率LED灯具目前存在的制约其应用的主要技术难点有以下几个方面。这也是灯具制造企业和LED研制单位共同关心的关键问题。3.1灯具的散热结构设计上有待进一步突破和提升由于LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以散热是LED路灯需要重点解决的问题之一。LED路灯亮度要求高、发热量大,并且户外的使用环境本身比较苛刻,如果散热不良会直接导致LED快速老化,稳定性降低,除了需要LED本身具有好的散热结构外,应该将路灯的壳体做为散热的重要渠道。一般设计时将散热面位于侧上面且加散热鳍片(如图1和图2的结构)。这样有利于空气的自然对流散热。但是这就要求灯具必须有足够的散热面积从而增加了灯具的体积。如果采用图3风孔式对流的散热方案,则可以适当缩小灯具的体积。目前正在实验阶段的还有采用风扇辅助风冷和毛细管水冷的方案,期待能很快的得以应用。图1透镜的光学系统图2抛物线的光学系统3.2驱动电源设计难度大,电路涉及的问题复杂LED恒流驱动设计方案目前最基本的是利用线性或开关型DCPDC稳压器结合反馈电路来恒流驱动LED。根据DCPDC稳压器外围电路设计的差异,·22·2008年12月灯与照明第32卷第4期一般有电感型LED驱动和开关电容型LED驱动两种。电感型升压驱动方案其优点是驱动电流较高,LED的端电压较低、功耗较低、效率保持不变,特别适用于驱动多只LED的应用。在大功率LED灯具设计中,主要采用开关电容型LED驱动方案,其优点是LED两端的电压较高、流过的电流较大,从而可以获得较高的功效及光学效率。因而在大功率LED驱动中得到了应用广泛。如果采用图4的PWM控制调光系统,除了可以对路灯根据时间段调节亮度外,将使得节能效果更加突出,是以后发展的必然趋势。图3一种风孔式对流的散热系统图4一种典型的PWM控制LED驱动方案大功率LED路灯虽然是恒流驱动,冷态上电瞬间过高的起始峰值电压,很有可能将LED击穿或断开;所以驱动电路除了做到恒流外,电路故障率高,目前发现的有瞬间击穿现象,单颗短路击穿以及单颗开路击穿,则会造成整串灯死灯现象。所以面临复杂的工况,LED驱动电路设计时必须考虑以下几个问题:1)电源必须具有高可靠性,高效率驱动,具有高功率因数:LED路灯用在高空,维修很困难;可靠性必须得以保证。高的电源效率,耗损功率自然就小,也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰能提供同步的辅助作用。2)电路要有浪涌保护:LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。这方面的保护在电路设计时也很重要。LED路灯户外使用。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。3)电源要具备其他电气性能;要防水、防潮,外壳要耐高低温冲击;驱动电源的设计使用寿命要与LED的寿命相适配;要符合安规和电磁兼容的要求。3.3二次光学设计难度大,可发挥的空间有限LED照明属于点光源,因此其光学设计,包括初级透镜或反光装置的设计和二次光学的设计等是一大应用难点。LED路灯存在的特殊要求主要是LED光强和发光角度的设计,多颗LED组合时,必须考虑出光照射的区域。由于LED的光辐射形式有朗伯型、侧射型、蝙蝠翼型和聚光型几种。在道路照明领域,根据设计经验朗伯型和蝙蝠翼型比较适用,通过合理的二次光学设计,能使LED的光照范围、配光曲线基本上符合道路照明的需求,但是很难做到理想化。图1和图2的光学结构为目前路灯普遍采用的二次光学设计方案,但在细节上均存在着光损问题和路面分布不均匀的情况。当然也有些厂家采用直接出光(无二次光学系统)的方法,虽然可以解决一些问题,但有相当一部分侧射光白白浪费。由于LED本身的发光原理和体系结构造就了在二次灯具应用设计中再次突破和创新受到极大的限制。当然,这方面诸如青蛙复眼原理的全向发光等方面的·23·2008年12月灯与照明第32卷第4期研究有待于进入应用领域。3.4灯具的外观造型受到限制,工艺上有待改善由于LED灯具需要较好的散热系统,加之LED光源的单向性,使得灯具的外观造型和材料的选用上都受到了很大的局限,很难作到流线型的外观。且要达到IP65的防护等级要求,这些都得从加工工艺上来保证。3.5光均匀性差,路面的实际光效不够理想大功率LED光源灯具目前普遍采用两种成熟的方案,一种是使用小功率支架型LED作组合,一般多达上百颗甚至数百颗,电源设计复杂。另一种是使用大功率LED管作阵列排布,效果较理想但价格相对高些。在城市道路照明灯具设计中,虽然通过两种方案都解决了亮度不足问题,但由于路灯照明是远距离,大范围的覆盖,所以目前的LED路灯普遍存在路面光均匀性差,形成斑马纹,“暗带”“亮带”现象。单个LED存在个体之间存在色差误差,多个组合时,色差问题就很突出;虽然可以通过配光改善光色,但是要彻底达到理想的自然光效目前还处在摸索阶段。3.6缺少相关标准和行业政策的支持虽然部分企业联合学术界对LED路灯相关问题进行了研讨,但还无相关行业标准规范,无法全面推广,造成LED生产厂家和灯具生产厂家存在技术上的衔接障碍,几个主要参数如色温、显色性(显色指数)和眩光等尚未明确的规定。4对LED照明产业的期望和建议现有的路灯标准是建设部新制定的“城市道路照明设计标准”(CJJ45-2006),于2007年7月1日开始执行,其中未提到使用LED路灯的问题。在此,相关部门应组织有关人员认真讨论,采用LED路灯能否符合上述设计标准或需要提出哪些补充修改意见作为正式的标准规范要求。另外,应该尽快制定适合LED路灯的道路路面测试方法标准,制定LED路灯的灯具(含LED灯)标准,提出LED路灯的主要参数包含色温、显色指数、眩光、发光强度(或照度)、角度以及热阻和可靠性等指标要求,制定LED路灯的灯具测试方法标准,建立公正的权威