led灯具设计

灯具批发led灯具设水晶计则在LED寿命期内

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  LED灯具设计程序一个典型的LED灯具设计包括电学、热学以及光学的模拟计算,大功率LED光源决定了大功率LED灯具的最终光通量。因此,选择高质量的适配光源是灯具的基础。LED芯片的研发固然重要,但灯具昀设计和研发同样不容忽视。大型照明灯具的主体照明光学系统的结构包括三种设计:(1)芯片外加光学系统得到适宜应用的一次光学设计,它由LED器件的生产商完成。(2)将一次光学设计的单只LED装入一个量身定做的透镜中,得到需要的定向光束,这就是所谓的二次光学设计,以得到满足单只光学需求的LED组件。(3)将若干个二次光学设计完成的LED组件合并成一个有相当规模、满足照明要求配光曲线的灯具,这就是LED的三次光学设计。在LED光源的产品中,大多数产品,例如路灯、光柱、草坪灯、地埋灯、装饰灯等,要求在这些灯具中设置DC/DC恒流驱动电路以适应LED电流驱动的特性。这个电源既要提供LED所需的恒流电流输出,又要有较高的变换效率,否则就会失去LED节能的优点,另外成本低也十分重要,可选择开关电源、高频电源等多种,根据电流稳定性、瞬态过冲以及安全性、可靠性的不同要求作不同选择。LED光源产品另一个重要考虑因素是LED器件的可靠性,作为半导体器件,LED的失效模式研究对评估LED光源的寿命十分重要。LED器件同样符合浴盆曲线这一失效规律,因此如何筛选早期失效器件,即加速寿命试验方法的研究显得尤为重要。提离LED发光效率,改善散热特性,是LED光源发展中必须解决的问题之一,与此同时,在行业协同下开展LED可靠性研究,规范器件老化筛选标准,是解决LED光源在应用中遇到的一些问题的有效途径之一。一、确定照明需求和设计目标设计目标是基于现有灯具的性能,或是基于应用的照明需求。LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此,在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用,存在现成的照明标准,可以直接确定要求。对于没有照明标准的应用,可先确定现有照明特性后,在确定应用的照明需求。照明灯具的光输出和功率特性是确定现有照明特性关键,根据照明灯具提供的技术参数,可获得各种灯具的关键特性,由此确定现有照明的特性。照明要求确定好了之后,就可以确定LED照明的设计目标。设计目标应根据照明应用需求而定,并应列出影响设计的所有其他目标,如特殊光要求、耐高温要求等。与定义照明要求时一样,关键设计目标与光输出和功耗有关。设计目标应包括工作环境、材料清单( BOM)、成本和使用寿命。二、估计光学系统、热系统和电气系统的效率设计目标会对光学、热和电气系统产生限制,根据这些限制对各系统的效率进行估计,将照明目标和系统效率结合起来,才能确定照明需要的LED数量。设计过程中最重要的参数之一是需要多少只LED才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕LED数量展开,因为LED数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。查看LED数据手册列出的典型光通量,用该数除设计目标流明,依据此设计方法将满足不了照明应用要求。因LED的光通量依赖于多种因素,包括驱动电流和结温。要准确计算所需要LED的数量,必须首先估计光学、热和电气系统的效率。(1)光学系统效率。通过分析光损失估计光学系统的效率。要分析的两种主要的光损失为:1)次级光学器件。次级光学器件是不属于LED本身的所有光学系统,如LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失根据使用的特定元件的不同而变化。各次级光元件的典型光学效率在85%~90%之间。如果熙明需要次级光学器件,则存在次级光损失。2)灯具内的光损失。当光线在到达目标物之前,打到灯具罩上时,就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收,有些则反射回灯具。固定物的效率由照明光源的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。LED发光具有方向性,可达到的效率比全方向照明光源可能达到的要高得多。次级光学器件的主要目的是改变LED的光输出。图4 -18将CreeXLampXR -E LED的光束角度与目标灯具的光输出进行了比较。裸LED的光束角度与目标灯具的非常相似,所以不需要次级光学器件。因此,不存在次级光学器件引起的光损失。只需计算灯具损失,假定灯具反射杯的反射率为85%,60%的光将打到反射杯上。因此,光学效率为力一(100%×40%)+(85%×60%)一91%(2)热损失。LED的相对光通量输出随着结温的上升而降低,大多数LED数据手册都列出了25℃下的典型光通量值,而大多数LED应用都采用较高的结温。当结温Tj 25℃时,光通量肯定比LED数据手册给出的值要低。LED数据手册中有一个曲线,给出了相对光输出与结温的关系,XLampXR -E白色LED结温对应光通量减少曲线所示。该油线通过选择特定相对光输出或特定结温,给出了其他特性值。XLampXR -E LED在额定条件下工作50 000h后提供平均70%的流明维持率,结温保持在80℃以下。因此,最高合适结温为800C。对应的最小相对光通量为85%,如图4-19所示,这一85%相对光通量是对照明热功效估计值。(3)电气损失。LED驱动器将可用功率源转换成稳定的电流源,这一过程与所有电源一样,效率不会达到100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效率,因为有部分输入功率浪费在发热上了,而没有用在发光上。在开始设计LED系统时,就应考虑到电气损失。典型LED驱动器的效率在80%~90%之间,效率高于90%的驱动器的成本要高得多。驱动器效率可随输出负载而变化,如图4 -20所示。应指定驱动器工作在大于50%输出负载下,以使效率最大,并使成本最低。对于室内应用,驱动器效率为87%的估值较好。室外用或要求有非常长的使用寿命的驱动器,效率可能要低一些。三、计算需要的LED数量(1)实际需要的流明量。根据设计目标和估计的损失程度,可以计算满足设计目标的LED数量。所有系统效率估算好之后,就可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。因电气效率只影响总功耗和灯具效率,而不影响照明的光输出量。实际流明Bs的计算如下Bs=BM/(77G×犯) (4-9)式中:Bs为实际流明;BM为目标流明;77G为光学效率;77R为热效率。(2)工作电流。LED的工作电流对确定LED照明的效率和使用寿命是很关键的。因增加工作电流,则各LED的光输出会变大,因而减少了所需LED的数量,而增加工作电流同时也带来多个缺点:1)功效降低。工作电流提高会降低功LED产生的功效,一般电源尺寸大小将随着工作电流的提高而增大,因为产生相同的流明数需要的功率更大。2)最高环境温度阵低或使用寿命缩短。电流的提高将增大LED结和LED热通道的温差,实际上,由于已经确定了最高结温,因此这样可以降低照明的最高环境温度,反之,如果最高环境温度不是降低,而是升高,则在LED的使用寿命期内,光源输出下降会更快。根据应用的不同,考虑到每只LED流明输出值更高,这些缺点是可以接受。使用寿命和功效是应优先考虑的设计目标,以XLampXR -E数据手册所列1W的LED的最小工作电流为350mA,可最大限度提高LED功效并延长使用寿命。(3) LED数量。工作电流确定之后,就可以计算各LED的流明输出数。由于LED的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了,故LED供应商提供的技术参数可以直接使用。在设计中应使用LED技术参数中的最小光通量,而不是LED技术参数中给出的典型值。根据此最小光通量来设计,可确保设计满足目标要求。若要求实际流明Bs为10501m,使用4000KCCT的XLampXR -E LED,350mA时的最小光通量为67。 21m。LED的数量SLED计算如下SLED—Bs/BD一1050lm/67。 21m一16只LED式中:SLED为LED的数量;Bs为实际流明;BD每只LED酌流明数。四、选择最佳设计所需LED数量计算好之后,led灯具设计考虑满足设计目标的所有设计可能。由于每只LED都是一个照明光源,比传统照明的使用寿命要长许多,因此LED可以与新型和非常规设计元件一起集成到照明系统中。设计中可以充分利用LED发光的方向性和大量可用的次级光学器件来优化初步设计。(1)光学系统选项。LED灯具的光学二次开发在整个灯具设计过程中扮演了非常重要的角色,在整个灯具的整体设计流程中应该是优先考虑的一环节。常用反射式LED二次光学设计有:1)反射式的二次光学设计。反射式的二次光学设计主要是利用各种二次曲线独立或组合成反射器,并在反射面镀反射率高的银、铝或铬等材料。在这种结构中有接近50%的光线是直接射出,而经过反射面反射的光线也能通过膜层对反射率的控制减小吸收损失,因此反射式设计能实现高的灯具效率。但LED是向半空间发光的光源,一般结构反射器对光源包络角有限,不易实现宽角度的蝙蝠翼配光,需要多列反射器依一定角度来排列配合,或者改变反射器和光源的相对位置增大反射器包络角。前一种解决办法需要增加灯具底座结构和LED发光阵列的配合程度,而后种方式要求反射器曲面形状的设计趋于精细,有时应考虑采用白由曲面反射器以满足配光要求。2)折射式的二次光学设计。在对照度均匀度有较高要求的场合,可考虑采用基于配光透镜的二次光学设计。配光透镜的功能是在被照面产生矩形的亮度均匀的照明光斑。现有LED的光强分布多是关于主光轴旋转对称的朗伯分布。要将旋转对称的光分布重新分配,形成最终的矩形光斑就决定了配光透镜必须是自由曲面的光学透镜。在二次光学设计时需准确建立光源的发光模型,同时确定目标照明区域的光线分布,以此为依据列出光线出入配光透镜前后的变换方程并求解得到配光透镜出光面的具体形式。3)反射和折射相结合的二次光学设计。单纯用非球面反射器的结构由于包络角有限的原因,有一部分光线将从透镜四周漏出,不能得到有效利用。因此有必要在透镜的结构上再增加反射器,对LED光通量进行充分有效的收集和利用。另外,一种非球面的复眼透镜也是产生均匀光斑的有效结构,采用复眼透镜的二次光学器件也是由反光杯和透镜组合而成,反光杯收集光线并将其调制为相对平行的光束后再由复眼透镜将光以一定角度发散出去,这种结构机理明确,达到均匀舒适的照明效果。在商业照明领域,目前国内常用的光学软件主要分为两类:照明工程设计软件和灯具配光设计软件,照明工程设计软件的作用是依据已有的标准化灯具制定一套最佳的使用方案,为用户提供最好的视觉需求。目前,常见的照明工程设计软件有DIALux、OxyTech等;灯具配光设计软件的作用是依据光源的特点以及期望的光学效果设计出相应的光学器件。以LED灯具为例,LED用反光杯和透镜就是常用的实现期望光学效果的光学器件。1)裸LED和现有灯具反射器。现有CFL灯具的角度和LED的角度非常相似,因此,若选则不使用次级光学器件。可使成本最低,并且系统光损失最小。使用的元件较少,所用费用也较少,可使照明系统组装更简单并且费用更低。缺点是会出现多照明阴影效应,如果LED的光分布与目标照明的光分布差异很大,就不能采用此方法,则应采用次级光学器件。2)带有次级光学器件的LED和现有灯具反射器。次级光学器件是除LED初级光学器件外附加的光学元件,用于对LED的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射(光从某个表面反射回)或折射(光通过折射材料弯曲,折射材料通常为玻璃或塑料)。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。每只LED使用一个次级光学器件,各LED的光束角度兢可以定制,从而得到所需的准确光输出。例如,可以缩小各LED的光束角度,可优化点照明,而不是能优化普通照明。采用次级光学器件存在以下缺点:●因为增加了元件并且装配较复杂,所以照明的成本较高。●由于光学器件连接到各LED上,可能仍然存在多照明阴影。●次级光学器件会降低光学系统的功效。3)不是每只LED都需要使用一个光学器件,整个LED阵列可以使用一个漫射器来传播光。这种方法的优点是光束角度比裸LED能达到的光束角度宽,并且消除了多照明阴影效应,光照度分布、多源阴影效应和美观度通常也决定了光学系统的选择。常见的LED用光学器件形式有反光杯和透镜,各有优点和局限性,应该根据需要来选择。相比于反光杯,透镜对光的损耗要大,而且透镜还存在色散问题;但是,在处理小角度(例如:光束角20。以下)的配光需求时,反光杯会显得很笨拙,而透镜则比较容易。(2)热系统选项。灯体的热结构设计是制作LED灯具的一个不容忽视的问题,在热设计中最低成本方法是将现有设计的灯具壳体作为LED照明的灯具壳体,但在设计时不能采用这种方法,因多数现有灯具壳体都是钢制的,热导性差。一般来说,选择钢罩不利于散热。在设计中购买成品的散热片,因这种成品的散热片的设计经过验证,制造商有完整的技术指标,但其性能、尺寸和形状可能没有面向目标应用而优化。采用定刮方案可为应用提供了优化散热片,但设计中需要利用热仿真软件,或根据目标应用及LED的特性进行热设计。led灯具设计加工和制造费用可能使定制散热片的单位成本高于成品散热片的成本。目标照明的成本、可用的散热片开发时间以及目标最高环境温度常决定了热系统的选择。一般来说,在降低成本比最高环境温度更重要的情况下,选成品散热片更好。在最高环境温度更重要的情况下,选定制散热片更优(如室外照明或条件不好的室内照明)。LED照明若使用热阻为0。47℃/W的成品散热片,使用这一散热片热的最高环境温度可以用下式计算Tj—Ta+(Rthb-a×Ptotal)+(Rthj-。p×PLED) (4- 10)式中:Ti为LED结温,Ta为环境湿度,R。hb-。为散热片的热阻,PLED为单只LED的功耗,PLED一工作电流IF×该工作电流下的典型电压值UF~总功耗P。。。。i—LED数×PLED,R。hj一。p—LED封装热阻。若照明的参数为:Tj,MAX一80℃;R。hb-。-0。 47℃/W; PLED—0。35A×3。3V一1。155W:Ptotat一16×1。155W=18。 48W; Rthj-sp =8℃/W,则TalVAX一TjvIAX -(Rthb-;×Ptotal) - (Rthj-。p×PLED)- 80℃- (0。 47℃/W×18。 48W) -(8℃/W×1。155W)- 80℃-8。68560C -9。24℃一62℃对于室内照明应用的最高环境温度为62℃是可以接受,对需要最高环境温度更高的工作环境,既可以提高最大结温(可能影响使用寿命),也可以改进热系统的Rthb-。(例如选择更好的散热片)。(3)电气系统选项。LED灯具的电源系统也与传统光源不同,LED对驱动电路的要求是能保证恒流输出特征,由于LED正向工作时结电压相对变更区域很小,所以保证了LED驱动电流的恒定也就基础保证了LED输出功率的恒定。要想使LED驱动电路具有恒流特性,从驱动电路的输出端向内看,其输出内阻抗必定是高的。工作时,负载电流也同样通过这一输出内阻抗,假如驱动电源为线性恒流源电路或通用的开关电源加电阻电路组成,在其上将消耗很大的有功功率,所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出的条件下,效率是不可能高的。优化的设计是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED,采用1)成品LED驱动器。由于成品LED驱动器具有参考电路设计,对所有器件都进行电磁干扰(tMI)和安规测试,并且一般来说,led灯具设计批量情况下每单位的成本最低。所以,使用成品LED驱动器将节省LED灯具的设计时间和成本。缺点是成品LED驱动器效率通常在80%左右,因生产商的技术装备使LED驱动器的性能有较大差异,而使LED使用寿命和工作温度有可能出现问题。2)定制设计LED驱动器。随着LED照明的应用逐渐普及,更多的LED驱动器针对应用进行了优化设计,这样效率更高,并且能获得管理部门的完全认可,但可能延长LED灯具的开发时间。就目前大功率LED成品特性而言,总照明效率的提高受LED本身的影响比受驱动器的影响要大。在通用的LED产品的开发中,采用成品LED驱动器尽快完成产品设计,可能比定制设计优化的LED驱动器要有利。五、LED灯具的能效DOE制订的研究计划是将商用照明领域的SSL光源效率从当前的301m/W提高到1501m/W以上。根据当前SSL照明装置的能源之星计划草案,可以计算出利用现有的组件构成的SLL照明装暨的总体能效。对于孔径略大于4英寸、相关色温(CCT)为3000K的照明装置,它的最小亮度为500lm,最小光源效率为351m/W。使用一种常见的暖白色LED作为照明光源,该LED的额定指标为3000KCCT、350mA、3。8V的最大正向压降。在测试条件下,LED结温为25℃,电流脉冲作用时间为25ms。在实际工作过程中,LED的结温将会根据照明器材的热设计效果上升到某个稳定值。对于任何LED而言,随着温度的上升,其产生的亮度就会下降。相比测试值,工作在60℃下的LED的亮度将会降低10%。这就意味着在稳定工作状态下LED实际发光亮度为541m。如果将驱动器的能效考虑在内,那么可以计算出最差情况下的能效为33。 21m/W。这一结果能够满足当前能源之星计划的要求。隔离型驱动器的选择对于提高整个照明装置的能效也发挥了重要作用,目前这是一个价格和性能二者之间的权衡选择问题。线性驱动器的价格是最低的,但是其能效处于50%~60%的范围之间。开关式驱动器的能效是最高的,一般在80%~85%之间。要想实现更高的能效,就需要更复杂的电路,因此驱动器的成本也就更高。六、样品试制和性能评估样品试制和性戗评估是LED照明灯具设计的最后步骤,可按照以下步骤来完成。(1)电路板布局。根据热指标和成本限制选择电路板材料(FR4或MCPCB),依据设计的电路进行电气元器件的筛选和必要的性能测试,进行PCB的布局和布线设计,设计中应注意的是,不能因器件的布局影响照明光输出和散热通道。(2)结构设计。结构设计包括热设计和外观设计,在考虑散热和机械性能时要兼顾外观的美观及成本。(3)试验样品。试验样品是为验证设计产品的特性和功能,以验证产品的光学性能、热性能和电气系统的性能是否达到设计的目标值。(4)修改设计。根据样品试验获得的信息,作出是否需要对样品设计进行修改。

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