浅谈大功率LED技术与发展趋势
２００９年８月第２０卷增刊
照明工程学报
ＺＨＡＯＭＩＮＧＧＯＮＧＣＨＥＮＧＸＵＥＢＡＯ
Ａｕｇ．２００９Ｖ０１．２０
Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ
浅谈大功率ＬＥＤ技术与发展趋势
冯丽萍
（天津施莱德照明有限公司，天津３００４５７）
什么是ＬＥＤ？
ＬＥＤ是发光二极管，当电流从阳极流向阴极，半导体晶体就发出不同颜色的光线。ＬＥＤ是１９世纪６０年代发明，但是仅能发出微弱的红光或者绿光。直到９０年代，蓝光ＬＥＤ才出来，白光ＬＥＤ的诞生使得ＬＥＤ的发展迈上了一个新台阶，为ＬＥＤ新的发展奠定了基础。
如今大功率ＬＥＤ已经成为照明领域的一个亮点见图１、图２
我们将从光效、控制、散热、配光这四个方面来讨论高功率的ＬＥＤ
图１
ＬＥＤ的光效
有人说：ＬＥＤ用于道路照明优势很多，例如ｌ良好的视觉性，减少光污染，这些都不可否认；还有人说可以节电高达８５％，如果ＬＥＤ的光输出达到
１５０
ｌｍ／ｗ，那么３８Ｗ的ＬＥＤ光源可以替代一个传统
的４００Ｗ钠光源，ＬＥＤ真的有这么神奇吗？让我们来分析一下吧。
首先看一下ＬＥＤ的系统效率ｔ
ＬＥＤ系统效力＝ＬＥＤ效力×驱动效率×光学效
率×热效率
再来看一下ＬＥＤ光效和其它光源光效的对比。
Ｃｏｏｌ?Ｗｌａｉｔｃ．Ｎｅｕｔｒａｌ?ＷｈｉｋａＤｄＷａｒｍ－ＷｈｉｔｅｍＴｍｔｔＣｔｍ＇ｃｎｔ
不是周围环境温度，例如Ｉ对于ｌＷ的Ｌｕｘｅｏｎ
ＬＥＤ，
要达到丁产２５０则周围环境湿度为７。。很显然，绝对不会达到宣称的光通量，有数据显示：乃＝７０。
ＬＥＤ效力为９０％。如果是暖白光的话，ＬＥＤ效力会减少２５—３０％。
ＬＥＤ的特征之一就是光通具有极强的方向性，
因此ＬＥＤ的利用率高达８０％。
根据使用的驱动形式的不同，其效率可达到
ｔｉｔ２
８０％一９０％，如果驱动效率超过９０％，其价格也是
就目前来看，有的ＬＥＤ厂商已经做到１５０ｌｍ／ｗ，
非常之高。驱动的效率随着输出负载的变化而变化。已经达到４００Ｗ高压钠光源的光效，客观说，所有当驱动负载大于５０％，就会获得最佳性价比，即最表单给出的数据即ＬＥＤ的效力是在“特殊条件下”
小的成本获取最大的效率。（见图４）
给出的，几乎所有厂商都给出巧＝２５。众所周知，巧
透光率是ＬＥＤ透镜的一项重要技术参数，直接
是结点温度，这就意味着是ＬＥＤ内部的温度，的确
影响到透镜的使用效果。目前在大功率ＬＥＤ灯具中
Ｖ０１．２０增刊吴俊伟：一种低损耗恒流恒压的ＬＥＤ路灯驱动电路１１５
图３
图４
通常使用的透镜为全反射式透镜，国内外知名ＬＥＤ透镜厂家可以将这种透镜的透光率达到８９％，即ＬＥＤ光源所发出的全部光通量一般有百分之十以上的损耗。这些损失的光可以被分为三种：ＬＥＤ的正上方透镜表面所反射的光、被透镜吸收的光、通过ＬＥＤ透镜侧面被折射走的光。
如果要加上玻璃防护罩，那么由于菲涅耳反射，其损失大约在８％左右。
ＬＥＤ的控制：
ＬＥＤ工作的主要参数是Ｋ／，，，Ｋ正向电压是为ＬＥＤ发光建立一个正常的工作状态；Ｉｒ正向电流是促使ＬＥＤ发光，发光亮度与流过的电流成正比。ＬＥＤＶＦ标称电压为３．４Ｖ±０．２Ｖ，而ＬＥＤＩＦ工作电流按应用需要选用，不同档不能混用。在ＬＥＤ照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择ＬＥＤ驱动器至关重要，没有好的驱动器的匹配，ＬＥＤ照明的优势无法体现。大功率ＬＥＤ是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过ＬＥＤ的电流决定，电流过强会引起ＬＥＤ的衰减，电流过弱会影响ＬＥＤ的发光强度，因此，ＬＥＤ的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率ＬＥＤ使用的安全性，同时达到理想的发光强度，我们来看一下不同驱动方式的优缺点：
排布。
图５
图５这种无源ＰＣＢｓ方式的优点是设计灵活，且ＬＥＤ很容易
图６
图６这种一体化驱动方式使用方便，适用于少量ＬＥＤ时使用，有的还包含调光系统，但是价格昂贵。
图７
图７这种方式适用于并联方式，在同时使用大量ＬＥＤ时采用此方式比较经济。
ＬＥＤ的散热：
ＬＥＤ是个光电器件，其工作过程中只有１５的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使ＬＥＤ的温度升高。这主要由三个原因造成：１．非辐射电子空穴复合；２．芯片内部的内在反射；３．芯片基板的光吸收。
随着温度的增加不但ＬＥＤ的失效率大大增加而且ＬＥＤ光衰加剧、寿命缩短，因此热设计是ＬＥＤ灯具结构设计中不可忽略的一个环节。
例如：１个１０Ｗ白光ＬＥＤ，若其光电转换效率
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为１５％，则有８．５Ｗ的电能转换成热能，若不加散
热措施，则大功率ＬＥＤ的器芯温度会急速上升，当
其结点温度ｒ，上升超过最大允许温度时，ＬＥＤ会因
为过热而损坏。ｒ，对ＬＥＤ的出光率及寿命有较大影
响：ｒ，越高会使ＬＥＤ得出光率越低，寿命越短。
考虑到灯具使用环境温度咒（一２０℃一４５℃）
受外部条件限制一般是不可控的，另外为满足照明
效果ＬＥＤ灯具总功率ＰⅢ、单颗ＬＥＤ功率Ｐｌ。ｄ在设
计前应已经确定不可更改，最后单颗ＬＥＤ的热阻目
前一般为８。Ｃ／Ｗ。依照ＬＥＤ灯具热分析公式，只有
依靠减少灯具散热部件热阻的方法达到散热效果。
热的传递方式有热传导、热辐射、热对流。对大功率ＬＥＤ照明灯具而言热传导方式起最主要的作用，热辐射可以忽略不计。怎样解决ＬＥＤ的散热问题呢？
首先，ＬＥＤ的排布距离要最优化，要选取适合的ＰＣＢ材质。散热筋的设计非常重要，空气的流动条件；散热筋的材质；重力的方向；散热筋的厚度；横截面的形状；叶片的形状；以及叶片的数量和间距。这些都是影响散热筋散热的因素。例如：叶片的间距，请参看８：散热筋的方向应与空气流动的方向相一致。
我们知道：任何外表上看来接触良好的两物体，由于表面粗糙或接触面不平造成直接接触的实际面积只是交界面的一部分，其余部分都是缝隙。热量依靠缝隙内气体的热传导和热辐射进行传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。导致散热器的散热性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了解决这个问题，就在热源和散热器之间加入了导热介质，它的作用就是填充两个接触的表面之间的空隙，增大热源与散热器的接触面积。这里我们介绍一种导热介质：导热硅脂。
导热硅脂是用来填充热源与散热器之间的空隙的材料的一种，又称之为热界面材料。其作用是用来向散热器传导热源散发出来的热量，使热源温度保持在一个可以稳定工作的水平，从而延长使用寿命。从图９看实际接触面仅为ｌ％。而导热介质可以消除空气。采用粘合膜所能填充的厚度进为其本身厚度的１０％一２０％，而采用弹性垫片则能更好的解决这个问题。
ＬＥＤ的配光：
我们知道，道路照明系统不同于装饰照明，其
图８
图９
被照明的区域通常是是一矩形区域。目前大多数企业开发的ＬＥＤ路灯只是简单的将ＬＥＤ在平面上进行简单的组合，这样很难照亮所要照射的区域，而且均匀性也很难保证。有的厂家为了满足国家标准，采取加大功率的方法，这样一方面增加了灯具的热量，容易造成ＬＥＤ热失效，使ＬＥＤ寿命降低，另一方面ＬＥＤ高光效的特性就不能体现了，失去了节能的意义。想要设计适用于ＬＥＤ道路照明的高光效系统，最关键的问题在于设计出有效可靠的光学系统使得光源发出的光均匀的分配到道路表面，即通过设计折射和反射表面“有序”控制光线，从而提高能量的传输效率。
我公司ＬＥＤ道路照明产品的设计是在三维空间里解决光学设计问题，这种设计同简单的二维设计相比具有无可比拟的优越性：配光具有更强的灵活性；造型多变，真正实现“白天看景，夜间看光”的城市景观照明。当然，配光灵活性方面，ＬＥＤ与ＨＩＤ光源还是无法相比，这对我们企业来说还是一
个很大的挑战。
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图１０
光线分布形状满足道路设计要求，其照度分布如图１０所示，可以看出形状近似一个长方形，在整个路面上没有明显的暗区，它不像传统的光源会有一部分溢散光不能准确地控制到被射面上无法利用起来，造成光污染，传统光源的利用率约４０％，而ＬＥＤ基于光通具有极强的方向性的特性，可以准确控制光线方向，利用率高达８０％。
ＬＥＤ照明具有良好的视觉舒适度，我公司采用暖白光ＬＥＤ，它的色温大概在３０００Ｋ左右，同色温是５０００Ｋ左右的白光相比，看上去就不那么阴冷了，而且避免了远视时观察能力的下降。同时，这种色温可以在达到同样人眼对亮度的感知的情况下，降低对路面照度的要求，从而进一步满足节能的要求。
图ｌｌ
我们从以上四个方面对ＬＥＤ有了一个初步的探讨，从而可以看出：ＬＥＤ具有其它光源无可比拟的优势，低电压驱动、极佳的视觉舒适度、配光灵活、寿命长、无污染，使ＬＥＤ光源将成为城道路照踢理想的光源。但要替代其它传统光源，形成独霸天下的局面，还有很长的一段路要走，还有亟须解决得几大问题：散热问题，包括散热材料、导热材料以及导热环节的设计环节；恒流源问题、合理化的造型结构设计问题，这些都是我们面Ｉ临的极大挑战，当然随着ＬＥＤ的快速发展，必将随之解决的高价格问题，我相信，在我们不懈的努力下，ＬＥＤ光源终将一统天下。得到更普遍的应用。
（上接第１１３页）路灯长久使用。众所周知ＬＥＤ路灯的芯片在高温下ＬＥＤ的导通电压会下降，ＬＥＤ的电流随时间而增大，如果仅用有恒压功能的电源电路，将使ＬＥＤ路灯的使用寿命缩短。如果ＬＥＤ路灯电路采用恒流电路，由于目前市面上的恒流开关电源均为低压大电流，所以必需采用多路并连，亦即目前市面上有的电路采用８个、１２个或１４个ＬＥＤ串联后再并联的方案所组成的驱动电路，由于无论每组８个或１２个或１４个，每组的ＬＥＤ导通电压不一，造成并联后每组的电流分配不均，长期使用后会造成电压低的一组电流分配较多而提前烧毁，进而造成各组被逐个烧毁。
本文所述南科公司的ＬＥＤ路灯电路方案采用了高电压（４００ｖ），低电流（ｏ．３—０．５Ａ）的多组全串联的ＬＥＤ芯片方案，每组有１１０一１个ＬＥＤ芯片相串连组成，每组芯片一端接在由功率因数校正Ｉｃ所组成的稳压电路的输出端，另一端接于我司所开发出来的高压恒流源器件ＣＣＳ—Ｌ的正极端，而ＣＣｓ—Ｌ的负极端再接于系统地线。由于每组相串联的芯片均串有一个ＣＣＳ—Ｌ的恒流源，所以南科公司的ＬＥＤ路灯电路方案非但电路简单成本较低，同时还有功率因素较高（＞９８％）、电源效率较高（＞蝤％）的优良特性，目前席习亨案的高压ＬＥＤ芯片的制作方法，高压恒流源器件（ＣＣＳ—Ｌ）的制作方法及同时具有恒压及恒流功能，低损耗的ＬＥＤ驱动电路均已获得我国专利授权。目前正在申请美、日、欧等国的专利中，整个方案是具有完整多重中国知识产权保护的最优方案。将可大幅降低我国ＬＥＤ路灯照明对国外技术包括芯片、电源等关键技术的依赖。同时大大降低了制造成本，其路灯产品将比目前市面上的路灯价格便宜扣一
３０％