LED照明系統設計

　　熱損失

　　LED的相對通量輸出隨著結溫的上升而降低。大多數LED數據手冊都列出了25℃下的典型光通量值，而大多數LED應用都采用較高的結溫。當結溫Tj > 25℃時，光通量肯定比LED數據手冊給出的值差。

　　LED數據手冊中有一個曲線，給出了相對光輸出與結溫的關系，例如如曲線3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線通過選擇特定相對光輸出或者特定結溫，給出了其它特性值。

　　對本CFL示例，其照明只是為屋頂通風的商業建筑設計的。本設計基于所列的設計目標，對光輸出、功效和使用壽命的優先次序進行了劃分。

　　XLamp XR-E LED額定為5萬小時后提供平均70%的流明維持率，結溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合適結溫為80℃。對應的最小相對光通量為85%，如曲線3所示。這一85%相對光通量是對本例照明熱功效估計的值。

　　電氣損失

　　LED驅動電子設備將可用功率源（如墻體插座交流電或電池）轉換成穩定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會達到100%。驅動器中的電氣損失降低了總體照明效能，因為把輸入功率浪費在發熱上了，而沒有用在發光上。在開始設計LED系統時，就應考慮到電氣損失。

　　典型LED驅動器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅動器的成本要高得多。要注意，驅動器效率可能隨輸出負載而變化，如曲線4所示。應指定驅動器工作在大于50%輸出負載下，以使效率最大，并使成本最低。

　　曲線4示例的LED驅動器效率與負載的關系

　　對于室內應用，驅動器效率87%的估值很好。室外用或非常長的使用壽命的驅動器，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際LED流明數。對本計算，只使用光效率（光學和熱）。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“需要的實際流明”的計算如下：

　　所需的實際流明=目標流明/（光學效率×熱效率）=810/（91%×85%）=1,050lm

　　工作電流

　　另一個需要確定的是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很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需的LED數量。不過，增加工作電流同時也帶來多個缺點，如表6所示。根據應用的不同，考慮到每個LED流明輸出值更高，這些缺點也許可以接受。

　　對示例照明，使用壽命和功效是最應優先考慮的設計目標，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的熱損失已經在實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售。根據此最小數來設計，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿足目標要求。

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

　　LED的數量=實際所需的流明數/每個LED的流明數＝1,050 lm / 67.2 lm=16個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，考慮滿足設計目標的所有設計可能。由于每個LED都是一個小照明，比傳統照明的使用壽命要長許多，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器件來構造原始設計。

　　同時不要忘記，有許多不同規則限制著設計的選擇。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，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、熱和電器）的3個選項進行說明。對每個系統，給出了最佳選項的選擇指南。

　　光學系統選項

　　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單并且費用更低。

　　缺點是會出現多照明陰影效應，下面將對此予以說明。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.帶有次級光學器件的LED和現有燈反射器

　　次級光學器件是除LED初級光學器件外附加的光學元件，用于對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學器件類型為反射（光從某個表面反射回），或者折射（光通過折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料）。次級光學器件可以通過購買標準件、現成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設計定制。

　　每個LED使用一個次級光學器件，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，為點照明優化照明，而不是為普通照明優化。

　　這種方法有幾個缺點。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，次級光學器件會降低光學系統的功效。

　　3.裸LED，現有的燈反射器和漫射器

　　不是每個LED都使用一個光學器件，整個LED陣列可以使用一個漫射器來傳播光。這種方法的優點是光束角度比裸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的缺點是成本較高，并且光學系統的功效低。由于漫射器只能發散光，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度通常決定了光學系統的選擇。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，選項1和2都有多源陰影效應。

　　另外，用戶查看選項1和2時，會發現單個的LED，而使用選項3的用戶只能看見一個發散而均勻的照明。

　　多源陰影效應

　　多源陰影效應是當物體位于多個照明之間時，表面出現多個陰影的現象。大多數人都見過安裝在浴室水池上方的多個燈泡，會注意到后面墻壁上有多個自己的影子，這就是多源陰影效應。

　　布局很近的LED將產生多個相互接近的陰影。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，增加滿射器以減小此效應而帶來的額外光學損失是否值得。

　　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LED照明的罩和散熱片來重新使用。

　　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。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

　　2.現成的散熱片

　　另一個選項是購買現成的散熱片。這種現成的散熱片設計經過驗證，制造商有完整的技術指標。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標應用而優化。

　　3.定制散熱片

　　定制方案為應用提供了優化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。

　　這一選項需要設計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設計經驗的第三方來協助。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、可用的散熱片開發時間以及目標最高環境溫度常常決定了熱系統的選擇。一般來說，在降低成本比最高環境溫度更重要的情況下，選項2更好。在最高環境溫度更重要的情況下， 選項3更優（如室外照明或條件不好的室內照明）。

　　例子中的