LED照明系統設計詳細步驟

對于室內應用，驅動(dòng)器效率87%的估值很好。室外用或非常長(cháng)的使用壽命的驅動(dòng)器，效率可能要低一些。

表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統的效率。

步驟四：計算需要的LED數量

實(shí)際需要的流明量

所有系統效率估算好之后，就可計算要達到設計目標需要的實(shí)際LED流明數。對本計算，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”的計算如下：

所需的實(shí)際流明=目標流明/(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。根據應用的不同，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。

對示例照明，使用壽命和功效是最應優(yōu)先考慮的設計目標，本照明以XLamp XR-E數據手冊所列的最小工作電流(350 mA)工作，以最大限度提高LED功效并延長(cháng)使用壽命。

LED數量

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

對本計算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數據手冊給出的典型數量。大多數LED公司根據最小通量范圍銷(xiāo)售。根據此最小數來(lái)設計，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿(mǎn)足目標要求。

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

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

步驟五：考慮所有設計可能并選擇最佳設計

LED數計算好之后，考慮滿(mǎn)足設計目標的所有設計可能。由于每個(gè)LED都是一個(gè)小照明，比傳統照明的使用壽命要長(cháng)許多，因此LED可以與新型和非常規設計元件一起集成到照明中。設計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件來(lái)構造原始設計，。

同時(shí)不要忘記，有許多不同規則限制著(zhù)設計的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標準列表超出了本文的范圍，不過(guò)，下面的表7給出了世界某些地域使用的規則的例子。

本節的其余部分對本示例LED照明的各系統(光學(xué)、熱和電器)的3個(gè)選項進(jìn)行說(shuō)明。對每個(gè)系統，給出了最佳選項的選擇指南。

光學(xué)系統選項

1．裸LED和現有燈反射器

如前面所述，現有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選則不使用次級光學(xué)器件。本選項可使成本最低，并且系統光損失最小。使用的元件較少，人力也較少，這樣使照明安裝更簡(jiǎn)單并且費用更低。

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

2．帶有次級光學(xué)器件的LED和現有燈反射器

次級光學(xué)器件是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級光學(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)。次級光學(xué)器件可以通過(guò)購買(mǎi)標準件、現成的零件或用照明模型通過(guò)光線(xiàn)跟蹤模擬來(lái)設計定制。

每個(gè)LED使用一個(gè)次級光學(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，因為增加了元件并且裝配較復雜,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。最后，次級光學(xué)器件會(huì )降低光學(xué)系統的功效。

3．裸LED，現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能達到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應。

選項2的缺點(diǎn)是成本較高，并且光學(xué)系統的功效低。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、多源陰影效應和美觀(guān)度通常決定了光學(xué)系統的選擇。如果光輸出必須比裸LED的光輸出窄，就只能選擇選項2。否則，選項1在成本、功效和亮度上要更好。不過(guò)，選項1和2都有多源陰影效應。

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

多源陰影效應

多源陰影效應是當物體位于多個(gè)照明之間時(shí)，表面出現多個(gè)陰影的現象。大多數人都見(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。

布局很近的LED將產(chǎn)生多個(gè)相互接近的陰影。在目標應用中，這些接近的陰影的出現可能不受歡迎。設計師要決定，對目標應用，多陰影效應的重要性有多大，增加滿(mǎn)射器以減小此效應而帶來(lái)的額外光學(xué)損失是否值得。

熱系統選項

1．現有燈具罩

最低成本選項是將現有設計的燈具罩作為L(cháng)ED照明的罩和散熱片來(lái)重新使用。

新照明設計顯然不能選擇這一選項。另外，多數現有罩都是鋼制的，熱導性差。一般來(lái)說(shuō)，選擇鋼罩不利于散熱。

2．現成的散熱片

另一個(gè)選項是購買(mǎi)現成的散熱片。這種現成的散熱片設計經(jīng)過(guò)驗證，制造商有完整的技術(shù)指標。不過(guò)，其性能、尺寸和形狀可能沒(méi)有面向目標應用而優(yōu)化。

3．定制散熱片

定制方案為應用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機會(huì )，但有幾個(gè)缺點(diǎn)。

這一選項需要設計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設計經(jīng)驗的第三方來(lái)協(xié)助。加工和制造費用可能使定制散熱片的單位成本高于現成設計的成本。

目標照明的成本、可用的散熱片開(kāi)發(fā)時(shí)間以及目標最高環(huán)境溫度常常決定了熱系統的選擇。一般來(lái)說(shuō)，在降低成本比最高環(huán)境溫度更重要的情況下,選項2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下, 選項3更優(yōu)(如室外照明或條件不好的室內照明)。

例子中的LED照明使用熱阻為0.47℃/W萬(wàn)的現成散熱片。使用這一散熱片熱阻值，最高環(huán)境溫度可以用下式計算：

Tj=Ta + ( Rth b-a×Ptotal )+ ( Rth j-sp×PLED )

其中，Tj 為 LED結溫，Ta 為環(huán)境溫度，Rth b-a為散熱片的熱阻，PLED為單個(gè)LED的功耗，PLED=工作電流×該工作電流下的典型Vf，Ptotal =總功耗=LED數×PLED，Rth j-sp=LED封裝熱阻。

示例中的照明的值為：

Tj,MAX=80℃
Rth b-a=0.47℃/W
PLED=0.35 A×3.3 V=1.155 W
Ptotal=16×1.155 W=18.48 W
Rth j-sp=8℃/W

Ta MAX=Tj MAX-( Rth b-a×Ptotal )-( Rth j-sp×PLED )
= 80℃- ( 0.47℃/W×18.48 W ) -( 8℃/W×1.155 W )
= 80℃- 8.6856℃-9.24℃
= 62℃

對本室內應用，例中照明的最高環(huán)境溫度62℃可以接受。對需要最高環(huán)境溫度更高的工作環(huán)境，既可以提高最大結溫(可能影響使用壽命)，也可以改進(jìn)熱系統(Rth b-a )(例如選擇更好的散熱片)。

電氣系統選項

1．現成的LED驅動(dòng)器

由于現成LED驅動(dòng)器已經(jīng)可以使用了，并且有參考電路設計，所以，使用現成的LED驅動(dòng)器將使設計時(shí)間最快。對所有零件都進(jìn)行電磁干擾(EMI)和安規測試，并且一般來(lái)說(shuō)，批量情況下每單位的成本最低。

缺點(diǎn)是現有LED驅動(dòng)器效率通常在80%中間范圍。根據銷(xiāo)售商和應用的不同，使用壽命和工作溫度也可能是個(gè)問(wèn)題。

2．下一代LED驅動(dòng)器

隨著(zhù)LED照明的逐漸普及，更多的半導體公司都在將注意力轉向優(yōu)化LED設計。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅動(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)的完全認可。

不過(guò)，等待產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可能推遲LED照明的開(kāi)發(fā)。另外，小一些的公司可能無(wú)法找到驅動(dòng)器公司來(lái)一起開(kāi)發(fā)未上市的產(chǎn)品。

3．定制設計

對于熱設計，可以選擇完全定制電氣系統?？赡鼙仁褂矛F成零件達到的效率高，但有許多潛在缺點(diǎn)。

開(kāi)發(fā)和認證批準由設計師承擔。即使在開(kāi)發(fā)之后，每單位成本也可能高于現有方案。另外，不要忘記，在LED照明開(kāi)發(fā)期間，驅動(dòng)器公司會(huì )一直開(kāi)發(fā)效率更高且更廉價(jià)的驅動(dòng)器。

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

步驟六：最后步驟

表8詳細給出了構建和評估原型照明的最后步驟，一旦作出設計決定，可按照該步驟來(lái)完成。

從哪里得到幫助

整個(gè)LED照明設計步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到最終設計的Cree目前的合作伙伴的聯(lián)系方法。