未来LED灯具技术的趋势 照明系统设计技巧

LED小巧轻量、驱动电压低、全彩色、寿命长、效率高、耐振动、易于控光等特性，为设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。人们习惯于看日光下的东西，对于通用照明来说，人们需要的主要是接近太阳光质量的光源，所以白光LED是半导体照明科技的重要指标。由于单只LED功率小，光亮度低，不宜单独使用，为此必须将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明系统。但目前白光LED与通用照明的要求还有一定的距离，还存在诸多技术与成本问题急需解决。

半导体照明灯具系统的主要技术概况

灯具系统的热量管理

一般常称LED为冷光源，这是因为LED发光原理是电子经过复合直接发出光子，而不需要热的过程。但由于焦耳热的存在，LED在发光的同时也有热量伴随，而且对于大功率和多个LED应用的场合，热量积少成多而不能小觑，LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源，过高的温度会缩短，甚至终止其使用寿命。而且LED是温度敏感器件，当温度上升时，其效率急剧下降，所以系统结构设计及散热技术开发也是LED应用需面对的课题。由于强制空气冷却通常在光源中是不可取的，所以随着输入电功率的提高，散热片和其它增强自然对流冷却的方法就在LED灯和光源设计中发挥日益重要的作用。

提高显色性

目前白光LED普遍使用发蓝光LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石(YAG)荧光粉，合成为白光。由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱，所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题，不符合普通照明要求。人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性，对照明而言，光源的显色性往往比发光效率更重要。所以加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要的课题。

灯具系统的二次光学设计

传统灯具长期以白炽灯、荧光灯光源为参照物来决定灯具的光学和形状的标准，因此LED灯具系统应考虑摒弃传统灯具加上LED发光模块的组装方式，充分考虑其光学特性，为LED光源专门设计不同的灯具。光学系统设计内容主要包括如下几个方面：①根据照明对象、光通量的需求，决定光学系统的形状、LED的数目和功率的大小;②将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”，根据组合成的二次光源，计算照明光学系统;③构成照明光学系统设计的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要。

LED照明将会取代主流的白炽照明和其他照明技术，占据市场主导位置。但从旧技术到新技术的转换还需要多年时间。在此期间，LED灯设计师所面临的挑战是如何确保新设计与原本为白炽照明开发的现有控制器和布线架构实现兼容和可靠工作。本文所介绍的是可同时适用于低功率和高功率LED照明系统的解决方案，它久经考验，非常成熟。

LED灯泡的构造

一个LED灯包含一个到十几个甚至更多的LED芯片，它们通常串联在一起。每个芯片的发光亮度由通过其中的电流大小决定。由于采用串联连接方式，灯泡内每个LED芯片会自动通过相同的电流，但每个芯片上的电压各不相同。LED的正向电压降通常为3.4V，但会在2.8V到4.2V之间变化。可以对LED进行分类以限制电压变动幅度，但这会增加成本，并且正向电压降仍会随温度和使用时间发生变化。要想提供一致的光输出，LED灯必须由严格规定的高效恒流电源驱动。作为白炽灯的替代品LED灯，该电源必须集成在灯壳内。

典型集成LED灯包括驱动电路、LED集束以及可同时为驱动器和LED芯片提供机械保护和散热的外壳。

LED驱动器的要求非常严格。它必须是高效节能的，必须满足严格的EMI和功率因数规格，并能安全地耐受各种故障条件。其中最为困难的要求之一是要有调光功能。由于LED灯的特性与专为白炽灯所设计的调光控制器之间存在不匹配，因此容易造成性能不佳。问题可能表现为启动速度慢、闪烁、光照不均匀、或在调整光亮度时出现闪烁。此外，还存在各个单元性能不一致以及LED灯发出可闻噪声等问题。这些负面情况通常是由误触发或过早关断控制器以及LED电流控制不当等因素共同造成的。

调光控制器

照明控制器以线路调光或PWM调光的方式进行工作。最简单的线路调光方式是前沿可控硅控制器。这是目前最常用的照明控制方式，但不幸的是，使用可控硅控制器对LED灯进行调光时会产生大量问题。更先进的线路调光器是电子前沿或后沿调光器。PWM调光器则用于专业照明系统。

使用前沿可控硅调光器时，调光控制是通过改变可控硅导通每个半周期的相位角来实现的。灯泡的输入功率与调光信号的相位角成一定的函数关系，相位角的变化范围介于接近0°到180°之间。

可控硅的重要参数之一是维持电流(IH)。这是可控硅在不使用栅极驱动的情况下保持导通所必须维持的最小负载。为维持可控硅的稳定工作，该电流不能为零，IH的典型值介于8mA到40mA。因此，白炽灯的相位角调光器通常有一个规定的最小负载，230V额定交流电压下通常为40W。这是为了确保流经内部可控硅的电流始终高于所规定的维持电流阈值。由于LED照明的功耗非常低，维持电流将成为一个问题。