高功率LED在室內照明領(lǐng)域的發(fā)展

　　1 引言

　　LED照明市場(chǎng)商機為業(yè)界帶來(lái)無(wú)窮想象空間，LED照明應用已經(jīng)從過(guò)去室外LED跳向室內照明應用。根據Strategies Unlimited統計，未來(lái)五年內LED室內照明的發(fā)展將有指數型增長(cháng)趨勢。按照估計，至2011年，其產(chǎn)值將高達數百億美元。尤其是2009年歐盟率先實(shí)施禁用白熾燈計劃，以及節能議題備受關(guān)注，造就了LED室內照明巨大的市場(chǎng)機遇和樂(lè )觀(guān)的前景。下文從散熱技術(shù)、光學(xué)設計和驅動(dòng)設計等燈具技術(shù)的需求，分析高功率LED 在室內照明領(lǐng)域中的發(fā)展。

　　高功率LED照明的發(fā)展高功率LED照明的發(fā)展取決于兩大元素：一是芯片本身；二是燈具技術(shù)，包含散熱、光學(xué)、驅動(dòng)。

　　2 芯片支持

　　目前，LED 芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于基底材料和外延生長(cháng)技術(shù)?；撞牧嫌蓚鹘y的藍寶石材料、硅和碳化硅，發(fā)展到氧化鋅、氮化鎵等新材料。無(wú)論是面向重點(diǎn)照明和整體照明的高功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡(jiǎn)單的輔助照明的低功率芯片，技術(shù)升級的關(guān)鍵都關(guān)乎如何開(kāi)發(fā)出更高效、更穩定的芯片。在短短數年內，借助于包括芯片結構、表面粗化處理和多量子阱結構設計在內的一系列技術(shù)改進(jìn)，LED 在光效方面實(shí)現了巨大突破。圖1是LED 芯片結構的發(fā)展示意圖。隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的逐漸成熟，LED 量子效率將進(jìn)一步提高，LED 芯片的光效也將隨之增強。

　　薄膜芯片技術(shù)是超亮 LED 芯片生產(chǎn)中的核心技術(shù)，能夠減少各側面的光輸出損耗，并能借助底部的反射面使 97% 以上的光線(xiàn)從正面輸出（見(jiàn)圖 2）。這不僅顯著(zhù)提高LED 的光效，還為透鏡設計創(chuàng )造了優(yōu)越的便利條件。

　　3 燈具技術(shù)的需求

　　3.1 散熱技術(shù)

　　大眾一直關(guān)注燈具的使用壽命。若僅僅依靠使用低熱阻的 LED 元件是未能為燈具裝置構建良好的散熱系統，而必須有效地減小從 PN 節點(diǎn)到周?chē)h(huán)境的熱阻，才能大大降低 LED 的 PN 節點(diǎn)溫度，而成功實(shí)踐延長(cháng) LED 燈具的使用壽命并提高實(shí)際光通量的目標。有別于一般傳統燈具，印刷電路板既是 LED 的供電載體，也是 LED 的散熱載體，所以散熱片和印刷電路板的散熱設計十分重要。除此之外，燈具制造商還須考慮散熱材料的質(zhì)量、厚度和尺寸以及散熱界面的處理和連接等因素。

　　3.2 光學(xué)設計

　　與傳統燈具比較，定向性和點(diǎn)光源是 LED 最典型的兩大特點(diǎn)，而如何善用 LED 的這兩大特點(diǎn)便是燈具光學(xué)設計的關(guān)鍵之處。

　　透過(guò) LED 的二元光學(xué)設計，LED 燈具能夠達到更好的配光曲線(xiàn)。例如，在室內照明應用中燈具的光線(xiàn)需要十分明亮，則可使用高透光率燈罩提高光提取效率?；蚴菍Ч獍寮夹g(shù)應用到燈具中，從而將 LED 點(diǎn)光源更改為面光源，不但能提高燈具的配光均勻度，還可以防止眩光。另外，在一些輔助照明和重點(diǎn)照明應用中，為了突出要照亮的物體而需要特定的聚光效果，在這種情況下，可配合一些聚光透鏡或反射器使用，以達到理想的光學(xué)效果。

　　3.3 驅動(dòng)設計

　　必須確保 LED 驅動(dòng)電流為恒流輸出。當 LED 在正向電流下工作時(shí)，節點(diǎn)電壓的相對變化非常小。因此，確保恒定的 LED 驅動(dòng)電流，基本上等于確保恒定的 LED 輸出電流。此外，燈光控制設計是現今主流驅動(dòng)設計之一，多用于氛圍照明應用中，可根據不同的環(huán)境實(shí)現不同的亮度級別，還能完全實(shí)現節能目標。目前，驅動(dòng)設計的主要趨勢側重于提高功率因數、降低驅動(dòng)功耗、優(yōu)化控制精度和加快響應速度。在設計過(guò)程中，電源的設計、印刷電路板的布局和串并聯(lián)方式都是必須考慮的因素。

　　4 高功率LED照明的技術(shù)挑戰

　　即使 LED 在室內重點(diǎn)照明和裝飾照明應用中已有令人滿(mǎn)意的表現，但是在普通照明和氛圍照明應用中仍然面臨許多挑戰，包括初置成本、色溫較低時(shí)的光效、顯色指數和系統可靠性等。

　　4.1 進(jìn)一步降低初置成本

　　成本是室內照明中相對比較敏感的因素，特別是在家居照明應用中。盡管 LED 燈型號越來(lái)越多，光效也在不斷提高，但是價(jià)格高這個(gè)問(wèn)題仍然存在。但是當LED光源價(jià)格降低，系統設計的整體優(yōu)化，總成本就必然下降?；叵刖o湊型節能日光燈首次投放市場(chǎng)時(shí)，成本約為 15 美元，如今已降至 1.50 美元以下。因此，可以推斷，隨著(zhù)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，LED 燈的價(jià)格很快便能到大眾可以接受的程度。

　　4.2 提高低色溫時(shí)的光效

　　4，000K 以下的低色溫通常是室內家居照明的首選。暖白光令整個(gè)環(huán)境更加溫暖和放松；而冷白光則給人潔凈、高效、明亮的感覺(jué)，較適用于辦公室和室外照明。因為熒光粉的原故，低色溫時(shí) LED 的光效通常會(huì )比高色溫時(shí)低大約 30% 。

　　4.3 管理光效和顯色指數

　　在一般情況下，LED 的光效越高，顯色指數越低。室內照明通常要求 LED 具有更高的顯色指數，才能客觀(guān)顯示物體的亮度和顏色及達到肉眼直接觀(guān)察外部景觀(guān)時(shí)的真實(shí)效果。為此，提高 LED 光效的同時(shí)，還需要進(jìn)一步提高顯色指數。另一種方法則是在燈具表面添加一些紅光，從而達到顯色指數超過(guò) 90 的效果。

　　4.4 提升高電流驅動(dòng)期間的效率

　　現時(shí)，通?？梢詫?1W LED 的電流從 350mA 加大到 1，000mA。然而，在高電流驅動(dòng)下，即使光通量增加，整體效能通常也會(huì )相對顯著(zhù)下降。因此，必須平衡系統總成本和光效。如果可以在高電流驅動(dòng)下提高 LED 的光效，則只要確保提供更高的系統光效，就可以大大減少所需的 LED 數量，從而大幅減低成本。

　　4.5 進(jìn)一步縮小 LED 的封裝尺寸

　　除了環(huán)保、節能、無(wú)公害外，室內LED還具藝術(shù)性、尺寸小和能彰顯個(gè)性這些特點(diǎn)。而通過(guò)進(jìn)一步縮小 LED 封裝尺寸，可以令燈具設計更具靈活性和創(chuàng )新空間。對于需要用混合照明以提高顯色性的應用場(chǎng)合，較小的封裝尺寸非常有助于實(shí)現混合光透鏡和混合光效設計。

　　4.6 延長(cháng)使用壽命、提高系統可靠性

　　在一般照明應用中，LED 的整體效率、使用壽命和可靠性必須通過(guò)系統優(yōu)化才能得以提升。傳統燈具的系統組裝比較簡(jiǎn)單，而 LED 照明系統則涉及多個(gè)元件，如圖 3 所示。

　　LED 光源：緊湊、高效，有多種顏色和輸出功率可供選擇。

　　電源轉換：將交流電、電池和其他電源高效轉換為安全的低電壓、恒流電源。

　　控制和驅動(dòng)：使用電子電路實(shí)現 LED 的恒流驅動(dòng)和控制。

　　熱管理：若要達到更長(cháng)的使用壽命，控制 LED 節點(diǎn)溫度顯得十分重要，散熱分析也不可或缺。

　　光學(xué)元件：透鏡、反射器或導光板材料是將光線(xiàn)聚焦在目標區域必需的光學(xué)元件。

　　5 應用于室內照明的LED光源介紹

　　如前文所言，小巧、高效都是選擇LED作光源的重要考慮因素。OSLON SSL LED 是歐司朗光電半導體的最新產(chǎn)品，其功率約為1W。如圖 4 所示，該款 LED 主要設計用于普通室內照明，外形小巧，封裝尺寸僅為 3mm x 3mm，而且性能穩定、可靠，發(fā)光效率卓越，最大光效超過(guò) 100lm/w。即使在高電流下，它也能維持卓越的發(fā)光效率，進(jìn)而有效降低燈具的整體成本。且具有極高的可靠性和 80°的光束角，所以能夠順利地將光線(xiàn)投射到外部透鏡上。該款 LED 還是室內照明的聚光燈、臺燈和天花板泛光燈的理想光源。

　　由于這款 LED 能夠有效處理高電流，因此可以助消費者創(chuàng )建極其節能和節約成本的照明解決方案。就這點(diǎn)而言，OSLON SSL LED 具備成為未來(lái)“綠色”光源的所有特性。該款 LED 的熱阻低至 7K/W，散熱管理更加簡(jiǎn)單，其小巧的外形更是使設計師可以更靈活地創(chuàng )建復雜精致的照明解決方案。如果需要等別強的光線(xiàn)，則可以與一些燈具搭配使用。除了超白光（色溫為 5，700 ～ 6，500K）版本，還有中白光和暖白光（色溫為 2，700 ～ 4，500K）版本。

　　OSLON SSL LED 采用最新的芯片技術(shù)制造而成，確保了極高的光效。OSLON SSL LED 的主要參數如表1 所示。目前，當工作電流為 350mA 時(shí)，光源的超白光（色溫為 5，700K 和 6，500K）典型亮度高達 110lm，光通量最大達到 130lm。當工作電流為 350mA且色溫為 3，000K 時(shí)，其典型光效可達 75lm/W，亮度則達 85lm。當工作電流為 700mA（暖白光）時(shí)，亮度高達 155lm，即可降低單位流明成本的，亦能維持極高的光效，即使少量 LED 亦可實(shí)現高標準的照明。

　　例如，只需要七顆 OSLON SSL LED，即可設計出一盞約 15W 的 LED 聚光燈（見(jiàn)圖 5）。當驅動(dòng)電流為 700mA 時(shí)，LED 燈的亮度可達近 1，400lm，而且尺寸非常小巧。有賴(lài)它的 80° 光束角，搭載反射器或透鏡時(shí)，光效仍非常高。即使將散熱和光損耗考慮在內，燈具的最終光通量也可超過(guò) 1，000lm。此外，當需要不同的色溫或顯色指數時(shí)，這七顆 LED 中只有少數須更換為暖白光或其他單色 OSLON SSL LED。這樣，既可獲得任何色溫或更高的顯色性，也大大增加 LED 燈的設計靈活度。

　　6 結語(yǔ)

隨著(zhù)LED 技術(shù)的快速發(fā)展以及LED光效的逐步提高，LED 的應用將越來(lái)越廣泛。特別是隨著(zhù)全球性能源短缺問(wèn)題的日益嚴重，人們越來(lái)越關(guān)注 LED 在照明市場(chǎng)的發(fā)展前景，LED 將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的潛力光源。此外，在室內燈具設計方面，LED 將趨向節能化、人性化和藝術(shù)化。而OSLON SSL LE