LED應急照明集成技術研究的創新性及成果分析

隨著我國經濟的持續高速增長，能源消耗不斷增加，能源緊張的矛盾日益突出。“研究開發高效節能、長壽命的半導體照明產品”被列入國家中長期科學和技術發展規劃（2006-2020）“能源”領域“工業節能”優先主題，我國半導體照明產業的發展正迎來自主創新、實現跨越式發展的重大歷史機遇。

　　2008年我國南方地區先后發生冰雪和地震重大自然災害，電力中斷，嚴重影響了救災工作和災區人民的生活，應急照明產品在救災搶險、醫療救護等方面顯得尤為重要，特別是LED具有體積小、壽命長、效率高、低電壓、使用安全、節能等一系列優點，因此科技部將“LED應急照明高效驅動技術與系統可靠性研究”列為2008年863課題進行研究和開發。

　　一、LED應急照明應用的重要性

　　應急照明是現代公共建筑及工業建筑的重要安全設施，它同人身安全和建筑物安全緊密相關。當建筑物發生火災或其它災難，電源中斷時，應急照明對人員疏散、消防救援工作，對重要的生產、工作的繼續運行或必要的操作處置，都有重要的作用。通過LED照明應用產品的研發和推廣應用，可以改變我國目前日常照明與應急照明一體化產品匱乏、不能在緊急情況下保證生產生活要求的現狀；結合國家節能減排目標的實施，應研制系列民用應急半導體照明產品，此類照明產品除了在日常使用中達到節能要求外，在發生緊急情況時提供足夠的光照度及照明時間，用于逃生、搶救財產及修復電力系統。開發在特殊應急環境中自帶發電功能的照明產品，達到攜帶使用方便、可多次循環使用、具有自身防護功能的目標。

　　火災、地震等自然災害發生時，應急照明燈是逃生、救災等的必需設備，預計未來3年內具有應急功能的半導體照明系列應用產品市場需求將超過20億元。隨著我國經濟的發展，社會的安全意識和安全標準都有了很大的提升，其中對應急照明產品的要求也越來越高。這不但要求此類產品滿足應急需求，還要具備節能、人性化、高可靠性等性能，而應急半導體照明的最大優勢正在于此。同時，隨著我國經濟和社會的發展，救災搶險、野外施工等離網及惡劣環境下的照明需求越來越高，也對應急半導體照明產品產生了巨大的市場需求。

　　“應急照明高效驅動技術與系統可靠性研究”課題的目標是以應用促開發，突破LED照明應用急需的產業化關鍵技術，完善半導體照明產業鏈。通過照明燈具設計、二次光學設計、散熱設計、光源結構設計、驅動電路等應用技術系統集成，促進國產化器件在國內產品的規模化應用。

　　主要研究應急照明專用LED光源開發、LED應急照明燈具設計、LED應急照明燈具二次光學配光設計及整體散熱設計、應急照明專用驅動電源和智能控制系統開發等內容。

　　主要考核指標為LED光源的發光效率≥100lm/W，熱阻：≤9℃/W，燈具發光效率≥80lm/W，色溫：3000-6000K;顯色指數：≥80;電源功率因數≥0.9，電流總諧波失真≤20%，電源轉換效率≥80%.

　　2010年課題完成時，燈具效率達到80lm/W，申請專利5-10項，可滿足抗震救災、野外勘探、軍事等應急照明領域的迫切需求，有助于解決應對突發事件的照明保障，建立常年應急照明產品供應機制，實現在災區重建、西部開發、新農村建設等的示范應用，加快節能減排的有效推廣，提升我國半導體照明行業的國際競爭力。

　　二、LED應急照明集成技術研究的難點和創新性

　　LED應用在應急照明上還是剛剛起步，對驅動電路的設計、應急功能的選擇及應急燈具的結構設計有待研究，特別是在應急照明的標準和應急燈具的可靠性研究上還處于滯后狀態。其主要技術難點如下：

　　1、LED封裝技術：科學、合理的LED封裝結構，是提高LED光源取光效率和光電轉化效率的技術關鍵。因此根據LED應急照明燈具的要求設計合理的LED封裝結構，達到光衰最小化，滿足散熱要求是LED光源設計的難點。

　　2、LED散熱技術：LED的封裝散熱問題已經成為制約大功率LED發展的關鍵性因素。為有效解決大功率LED散熱問題，將采用有效的散熱與不劣化的封裝材料，將LED熱量有效傳導，并解決光衰問題。

　　3、二次配光技術：應急照明燈具最重要的參數是滿足室內照明與應急照明的要求，其主要參數有平均照度、照度均勻度和維持照明時間，通過二次光學設計，結合LED的發光特點，設計符合配光要求的光學結構滿足應急照明使用要求。

　　4、LED智能控制技術：從LED光源的特性，研究數字智能化控制方式及驅動電源。研究適合于應急照明模式要求的最佳控制方式；研究與各種傳感器結合的控制方式，研究適合于應急照明光源的驅動電源及應急電源可靠轉換技術。

　　5、應急照明燈具檢測方法、可靠性評價方法及相關標準規范的編制和起草。

廈門華聯電子有限公司在國家“十一五”的半導體照明技術攻關以及廈門國家半導體照明工程產業化基地建設中，積累了大量的LED器件設計與制造技術以及半導體照明產品的設計、制造、工程施工管理經驗和擁有優秀的技術、管理團隊。承擔課題研究的照明事業部針對上述技術難點，在光源設計、燈具結構設計、驅動控制技術、檢測技術和生產工藝等諸多方面按照課題計劃要求，通過不斷改進封裝結構，優化二次光學設計的燈具結構，燈具檢測、可靠性評價等一系列工作。解決了課題研究中遇到的技術和質量問題，在二次光學的優化設計、封裝取光效率、散熱、控制電路設計及產品可靠性等方面取得了明顯進步，按計劃完成相關投入，最終開發出滿足課題目標的應急照明產品，建立了從光源封裝、燈具制造到燈具檢測的產業化示范生產線。研究的技術創新性如下：

　　1、光源設計：采用高導熱的金屬基板或陶瓷材料基板封裝，光源選用瓦級功率型芯片或小芯片集成，通過藍色芯片激發熒光粉混色成白光或RGB三基色混合而成白光兩種技術路線，制作適用的應急照明光源。

　　2、光學設計：LED光輸出方向性強，光學設計較傳統光源有更大的難度。根據LED的光分布特性，通過燈具透鏡和反射器的優化設計，改變光傳輸路徑和方向，提高應急照明燈具的光輸出效率。

　　3、LED器件及燈具散熱技術：通過選用新型材料和結構設計解決LED照明燈具的散熱問題，采用熱管與共晶焊等技術，將導熱材料和LED燈具或芯片直接相連，將LED熱量有效傳導和散發，降低了LED工作結溫，延長了LED及燈具的使用壽命。

　　4、燈具設計：研究開發了適應于LED應急照明的燈具，采用防爆、防潮、防水、耐腐蝕、耐高低溫的新型材料，通過工業設計，形成構思新穎、具有創新性、外型美觀和具有自主知識產權的應急照明燈具。

　　5、驅動控制電路設計：針對LED應急照明燈具的特性，開發了結構簡單、性能可靠、成本相對低廉的恒流驅動電路，形成規范化、標準化、模組化控制電路。

　　6、便攜式照明燈具技術集成：滿足在特殊應急環境中攜帶使用方便、具有自發電功能、可多次循環使用的應急照明燈具。

　　7、應急照明的系統技術集成：研究具備日常照明，斷電及燈具失效聲光報警逃生及救災應急照明功能的新型室內照明燈具集成技術及其控制技術。

　　三、LED應急照明集成技術研究的主要成果