LED灯光照明设计开发的发展趋势

1、1.LED灯光照明设计开发的发展趋势照明离不开灯具,而灯具是照明的集中反映,它既是完成居室建筑功能、创造视觉条件的工具,又是居室装潢的一部分,是照明技术与建筑艺术的统一体.现代灯具不仅在居室内起照明作用,也是营造居室环境氛围的主要组成部分.利用灯具造型及其光色的协调,能使居室环境具有某种氛围和意境,体现一定的风格和个性,增加建筑艺术的美感,使室内空间更加符合人们心理、生理的需求和审美情趣.LED作为一种新型的照明技术,其应用前景举世瞩目，尤其是高亮度LED更被誉为21世纪最有价值的光源，必将引起照明领域一场新的革命.自从白光LED出现，无论是发光原理还是功能等方面都具有其它传统光源无法匹敌的优

2、势，因此,LED照明已成为21世纪居室照明领域的一种趋势,LED与传统白炽灯和日光灯一起，为居室照明开辟了崭新的天地灯具设计的内容与形式主要是光,LED新光源促使照明灯具设计开发的革新，从很大程度上改变了我们的照明观念，使我们可以从传统的点、线光源局限中解放出来，灯具设计的语言和概念可以自由发挥和重新确立，灯具在视知觉与形态的创意表现上具有了更大的弹性空间，居室照明灯具将向更加节能化、健康化、艺术化和人性化发展.一、节能化研究资料表明，由于LED是冷光源，半导体照明自身对环境没有污染，与白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到70%以上.在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1/10,荧光灯管的1/

3、2.如果用LED取代我们目前传统照明的50%，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观.二、健康化LED是一种绿色光源.LED灯直流驱动，没有频闪;没有红外和紫外的成分，没有辐射污染，显色性高并且具有很强的发光方向性;调光性能好，色温变化时不会产生视觉误差;冷光源发热量低，可以安全触摸;这些都是白炽灯和日光灯达不到的.它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力并且环保的健康光源.由于目前单只LED功率较小，光亮度较低，单独使用有时不能达到照明亮度要求,而将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明灯具则具有广阔的应用前景.灯具设计师

4、可根据照明对象和光通量的需求，决定灯具光学系统的形状、LED的数目和功率的大小；也可以将若干个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”来设计灯具.三、艺术化光色是构成视觉美学的基本要素，是美化居室的重要手段.光源的选用直接影响灯光的艺术效果,LED在光色展示灯具艺术化上显示了无与伦比的优势；目前彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围，且单色性好，色彩纯度高，红、绿、黄LED的组合使色彩及灰度（1670万色）的选择具有较大的灵活性.灯具是发光的雕塑，由材料、结构、形态和肌理构造的灯具物质形式也是展示艺术的重要手段.LED技术使居室灯具将科学性和艺术性

5、更好地有机结合，打破了传统灯具的边边框框，超越了固有的所谓灯具形态的观念，灯具设计在视知觉与形态的艺术创意表现上，以一个全新的角度去认识、理解和表达光的主题.我们可以更灵活地利用光学技术中明与暗的搭配、光与色的结合,材质、结构设计的优势,提高设计自由度来弱化灯具的照明功能,让灯具成为一种视觉艺术,创造舒适优美的灯光艺术效果.例如半透明合成材料和铝制成的类似于蜡烛的LED灯,可随意搁置在地上、墙角或桌上,构思简约而轻松,形态传达的视觉感受和光的体验,让灯具变成充满情趣与生机的生命体.四、人性化毋庸置疑,光和人的关系是一个永恒的话题,“人们看到了灯,我看见了光”,正是这句经典的话语改变了无数设计师

6、对灯的认识.灯具的最高境界是“无影灯”也是人性化照明的最高体现,房间里没有任何常见灯具的踪迹,让人们可以感受到光亮却找不到光源,体现了把光和人类生活完美结合的人性化设计.LED灯具积小质轻,可选用不同光色的LED组合成照度柔和的各种模块,任意安装在居室中,居室照明灯具的光源可能来源于地面、墙面、窗台、家具、饰物等.因此,未来居室照明将不再局限于单个灯具,而将由单个灯具照明转化为无照明器具感的整体照明效果的无影灯.不同的光色和亮度对人的生理和心理能产生不同的影响,人们在很多情况下并不需要很亮的白光,可能黄光或其它颜色的光更适合生理和心理的需要.三基色LED可以实现亮度、灰度、颜色的连续变换和选择

7、,使得照明从普遍意义上的白光扩展为多种颜色的光.因此,人们可以根据整体照明需要（如颜色、温度、亮度和方向等）来设定照明效果,实现人性化的智能控制,营造不同的室内照明效果.即使居室中只有LED发光天花板和发光墙面，人们也可以根据各自要求、场景情况，以及对环境和生活的不同理解,在不同的空间和时间选择并控制光的亮度灰度、颜色的变化，模拟出各种光环境来引导、改善情绪，体现更人性化的照明环境.随着LED技术的进一步成熟,LED将会在居室照明灯具设计开发领域取得更多更好的发展.21世纪的居室灯具设计将会是以LED灯具设计为主流，同时充分体现节能化、健康化、艺术化和人性化的照明发展趋势，成为居室灯光文化的主

8、导在新的世纪里,LED照明灯具必将会照亮每个人的居室，改变每个人的生活，成为灯具开发设计的一次伟大变革.1W500WLED通用照明解决方案选择要素不管是大功率的还是小功率的LED照明应用，一般都由电源、LED驱动器、LED、透镜和基板几部分构成，其中关键的元件是LED驱动器，它必须提供一个恒流输出才能保证LED发出的光不会忽明忽暗、以及不会发生LED色偏现象，它一般接受24V-48V的直流电压输入，但也有一些先进的LED驱动器可直接接受220V市电交流输入.大多数客户都要求采用高性能的LED驱动器，以满足“PF值0.9”和“+85效率”等即将出台的LED照明规范.LED照明应用的主要设计挑战包

9、括以下几个方面:散热、高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光、可靠性、安全性和消除色偏.这些挑战需要综合运用适当的电源系统拓扑架构、驱动电路拓扑结构和机械设计才能解决.Diodes公司亚太区技术市场总监梁后权指出：“对设计师来说，最大的技术挑战将是高效率要求、光学设计、热管理和提高某些应用的可靠性，如高亮度LED街灯“在LED照明系统的应用中，除了选择合适的LED产品，一个完整的LED照明设计还要包括光学设计、热设计、产品设计和电气驱动设计.由于LED是低压器件，因此将高压交流供电转换为LED使用的低压恒流驱动将面临许多挑战.”安森美半导体中国区高级应用经理郑宗前指出：“进一步说，为了保证LE

10、D照明的优势,LED电气驱动必须是可靠的、高效率的、安全的和低成本的因此，针对不同的LED照明的应用，首先需要选择正确的驱动电路拓扑结构.”安森美半导体现可以提供从1W到500W功率范围内的全部LED照明解决方案.为了快速推动LED照明市场的起飞,美国国家半导体公司（NSC）最近瞄准了一块非常庞大的白炽灯直接替代市场，即用LED灯直接替代现有家庭或其他应用市场中的白炽灯,并推出了一款针对该市场的直接市电输入LED驱动芯片LM3445.不过,NSC亚太区电源管理产品市场营销经理吴志民表示：“白炽灯已面世很多年，对于许多多年未改的技术标准，我们的家居照明系统一直也在沿用,这个情况并非一朝一夕可以改

11、变过来.例如,基于散热及照明角度等问题，原有的旧式电灯插座或装置并不适宜用来安装LED灯泡但除了技术问题之外,成本效益也是LED灯无法普及的最大原因.钨丝灯泡及霓虹光管的售价约为US$0.6-0.7/Klm,但目前LED灯的售价仍然高达US$40-50/Klm.”正如以上所说，由于LED灯必须能够装设在原有的旧式插座之内,因此散热是一个必须克服的大问题.但严格来说,这可以利用机械工程技术解决,LED系统生产商的责任是努力开发新技术，尽量提高LED的亮度（即每单位功率产生的流明量）.吴志民自信地说：“我们可以提供功效最高的LED驱动器，以确保可将整个灯光系统的散热量减至最少”LED的相对高成本是

12、LED照明市场目前仍难以大规模起飞的主要障碍例如，英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品市场总监AlexanderSommer就说：“大多数小于25W的典型LED照明应用是标志灯、标识灯、以及替代标准的白炽灯和卤素灯但与现有的荧光灯和白炽灯技术相比,LED初始成本仍然是进入大众市场的一个主要障碍”Cytech产品及设计部工程师徐瑞包也认同主要商业化挑战是成本他说：“目前各种功率的LED照明系统在电路上都是可以实现的，技术挑战来自于终端应用的要求，比如应用于汽车，要考虑到光学设计以及整体散热设计等.商业化部署的挑战则主要来自于LED成本作为固态光源的发光二极管(LED)的大量涌现，使白炽灯日益落寞

13、。在过去几年中，LED技术已经有了极大进步，在散热、封装和工艺技术方面的进步使得LED有了更高的亮度、更高的效率、更长的寿命和更低的成本。然而，在能量转换效率、热量管理和生产成本方面，LED仍然有进一步提升的空间。例如，LED效率就已经获得了极大的提高。LED的众多改进源自现在能在芯片内更好地产生光，以及有更好的方法从芯片及其封装中获得光源。同样地，20mA白光LED的售价已经大幅降低，这种LED刚推出时，批购报价为1美元。而目前有可能以不到30美分的批购价买到20mA的白光LED。LED照明应用需求分析当然，所有这些进步不仅促进了LED在不同应用中作为照明光源的使用，同时也刺激了对LED驱动

14、器IC的需求。要了解设计和制造LED驱动器IC面临哪些障碍，就必须了解白光LED要发光需要哪些条件。白光LED必须用一个恒定电流源驱动，这样白色光点才不会变化(也就是亮度必须一致)。另外，既然白光LED是一个二极管，那么就必须克服它内部的正向压降(Vf)。Vf随着白光LED电流值的不同而不同，也会随着温度的变化而变化。一般情况下，在整个工作温度范围内，20mA白光LED的Vf在2.5V至3.9V的范围内变化。大多数应用都使用多个白光LED，而且还可能将这些LED配置成并联、串联或串并联混合形式。这意味着白光LED驱动器IC必须能够为特定配置的多个LED提供足够的电流和电压，而且这种IC所采用的

15、电压转换拓扑必须同时满足输入电压范围和输出电压与电流的要求。LED的常见应用包括汽车和飞机仪表盘的显示和指示、交通信号灯、手机、平板显示器背光源、矿工灯、建筑和露天大型体育场照明等，而目前和未来几年内，LED市场增长的最大驱动力来自平板显示器的背光照明需求。这些显示器采用LCD屏，用于电视机、导航系统、便携式媒体播放器、数字广告牌和计算机监视器。不过，采用LED面临热量管理的技术挑战。尽管LED不像其它光源那样辐射那么多热量，但是根据输出功率的不同，一些LED也许需要合适的散热器，这样光输出才不会减少，寿命也不会缩短。例如，光输出为251m的高亮度LED一般所消耗的功率超过1W。这意味着白光L

16、ED驱动器IC必须以高效率进行转换，这样它才能不成为热问题的主要成因。另外，在很多情况下都存在空间受限问题，LED驱动解决方案必须占板面积小，而且外形尺寸小。以手机为例，今天大多数手机都有内置数码相机，能够拍摄高分辨率照片和视频。相机性能的提高也导致对大功率白色光源的需求，相机在室内或在昏暗环境中需要使用这样的光源，白光LED已经成为相机手机的主要光源。因为白光LED拥有多种现代手机设计师所希望的特点：尺寸小、高光输出，能够提供“闪光”和对“视频”对象连续照明。目前已经专门为集成式相机照明开发了高输出功率LED。便携式产品照明解决方案尽管用大功率LED产生可见光很简单，但是如果不对已有设计进行

17、改进，要形成高性能电源和电流控制解决方案却非常困难的。凌力尔特公司的LTC3454是一种新产品，专门用于在大电流相机照明应用中提高电源转换效率和准确度，并优化对LED电流的控制。led亮度高、功耗小、小型化、寿命长等优点推动了该技术的迅速发展，但LED照明技术仍存在成本高、散热器过大、发光率低以及调光等挑战。在设计过程中，工程师进行LED常规调节时往往会遇到启动速度慢、闪烁、光照不均匀等情况，因此如何解决LED闪烁问题成为工程师当务之急。led亮度高、功耗小、小型化、寿命长等优点推动了该技术的迅速发展，但LED照明技术仍存在成本高、散热器过大、发光率低以及调光等挑战。在设计过程中，工程师进行L

18、ED常规调节时往往会遇到启动速度慢、闪烁、光照不均匀等情况，因此如何解决LED闪烁问题成为工程师当务之急。如果能够提供高精度恒流控制(能够分析可控硅控制器的可变相位角输出，对流向LED的恒流进行单向调整)，输入EMI滤波器电感和电容非常小，那么进行有效的无闪烁调光是否便能成为可能？日前，PowerIntegrations(PI)公司LinkSwitch-PH系列LED驱动器IC很好地解决这一困扰，该产品的初级侧控制技术还省去了隔离反激式电源中常用的光耦器和辅助电路(即次级侧控制电路)，同时控制器中的PFC部分还省去了大容量电解电容，这对LED无闪烁调光的确带来了一大福音。如今，LED照明已成为

19、一项主流技术。LED手电筒、交通信号灯和车灯比比皆是，各个国家正在推动用LED灯替换以主电源供电的住宅、商业和工业应用中的白炽灯和荧光灯。换用高能效LED照明后，实现的能源节省量将会非常惊人。仅在中国，据政府当局估计，如果三分之一的照明市场转向LED产品，他们每年将会节省1亿度的用电量，并可减少2900万吨的二氧化碳排放量。然而，仍有一个障碍有待克服，那就是调光问题。中国照明网技术论文LED照明白炽灯使用简单、低成本的前沿可控硅调光器就可以很容易地实现调光。因此，这种调光器随处可见。固态照明替换灯要想真正获得成功的话，就必须能够使用现有的控制器和线路实现调光。中国照明网技术论文LED照明白炽灯

20、泡就非常适合进行调光。具有讽刺意味的是，正是它们的低效率和随之产生的高输入电流，才是调光器工作良好的主要因素。白炽灯泡中灯丝的热惯性还有助于掩盖调光器所产生的任何不稳定或振荡。在尝试对LED灯进行调光的过程中遇到了大量问题，常常会导致闪烁和其他意想不到的情况。要想弄清原因，首先有必要了解可控硅调光器的工作原理、LED灯技术以及它们之间的相互关系。中国照明网技术论文LED照明图1所示为典型的前沿可控硅调光器，以及它所产生的电压和电流波形。术论文LED照明/VCiraHmiitACAH1TRICDIAC/厂曲吸图1.前沿可控硅调光器中国照明网技术论文LED照明电位计R2调整可控硅（TRIAC）的相

21、位角，当VC2超过DIAC的击穿电压时，可控硅会在每个AC电压前沿导通。当可控硅电流降到其维持电流（IH）以下时，可控硅关断，且必须等到C2在下个半周期重新充电后才能再次导通。灯泡灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角密切相关，相位角的变化范围介于0度（接近0度）到180度之间。中国照明网技术论文LED照明用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含一个LED阵列，确保提供均匀的光照。这些LED以串联方式连接在一起。每个LED的亮度由其电流决定，LED的正向电压降约为3.4V,通常介于2.8V到4.2V之间。LED灯串应当由恒流电源提供驱动，必须对电流进行严格控制，以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。中

22、国照明网技术论文LED照明LED灯要想实现可调光，其电源必须能够分析可控硅控制器的可变相位角输出，以便对流向LED的恒流进行单向调整。在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难，往往会导致性能不佳。问题可以表现为启动速度慢，闪烁、光照不均匀，或在调整光亮度时出现闪烁。此外，还存在元件间不一致以及LED灯发出不需要的音频噪声等问题。这些负面情况通常是由误触发或过早关断可控硅以及LED电流控制不当等因素共同造成的。误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振荡。图2以图表形式对该影响进行了说明。Recl-nedfACL:no如4Lag0.2-1D05003DQLED照明PVJ日tectih&dA

23、jCtinekirre-nt；0.05ConductionArgle()图2.发生在LED灯电源输入级的可控硅电流与电压振荡可控硅导通时，AC市电电压几乎同时施加到LED灯电源的LC输入滤波器。施加到电感的电压阶跃会导致振荡。如果调光器电流在振荡期间低于可控硅电流，可控硅将停止导电。可控硅触发电路充电，然后重新导通调光器。这种不规则的多次可控硅重启动，可使LED灯产生不需要的音频噪声和闪烁。设计更为简单的EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。要想实现成功调光，输入EMI滤波器电感和电容还必须尽可能地小。中国照明网技术论文LED照明振荡的最差条件表现为90度相位角（这时，输入电压达到正弦波峰值

24、，突然施加到LED灯的输入端），并且为高输入电压（这时，调光器的正向电流达到最低水平）。当需要深度调光（比如相位角接近180度）且为低输入电压时，则会发生过早关断。要可靠地调低光度，可控硅必须单调导通，并停留在AC电压几乎降至零伏的点上。对于可控硅来说，维持导通所需的维持电流通常介于8mA到40mA之间。白炽灯比较容易维持这种电流大小，但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说，该电流可降低到可控硅维持电流以下，导致可控硅过早关断。这样就会造成闪烁和/或限制可调光范围。中国照明网技术论文LED照明在设计LED照明电源时还有许多其他问题构成挑战。能源之星固态照明规范要求商业和工业应用的最小功率

25、因数必须达到0.9,照明产品必须满足效率、输出电流容差和EMI的严格要求，并且电源还必须在LED负载发生短路或开路的情况下作出安全响应。中国照明网技术论文LED照明PowerIntegrations（PI）最近所取得的技术进展为如何解决LED驱动和可控硅的兼容性问题提供了参考范例。图3是PI开发的可控硅调光的14WLED驱动器的电路图。中国照明网技术论文LED照明*III7r-hBFErE.图3.隔离式可控硅调光的高功率因数通用输入14WLED驱动器的电路图中国照明网技术论文LED照明本设计采用了LinkSwitch-PH系列器件LNK406EG（U1）。LinkSwitch-PH系列LED驱动器IC同时集成了一个725V功