智慧智能照明系统：LED灯具设计关键技术及最新进展！

一． 背景

1.行业背景

近年来LED照明产业的发展取得了突飞猛进的发展。随着全球民众节能意识的高涨,智慧智能照明系统以及在相对较高的电价下,促使建筑、商业应用领域持续导入LED照明，而日本、北美、欧洲及中国大陆则成为主要应用市场。据了解,2010年全球LED照明市场规模达49.8亿美元，较2009年大幅成长46%。工研院IEK预估，2015年全球LED照明市场产值将上升至212亿美元，市场渗透率达15%。LED灯具具有节能环保、长寿命、高光效等特点，并以多样化、强调设计与流行、功能性为决胜关键，受到了市场的欢迎。随着LED照明灯具产业的发展，LED照明灯具产品成为了新一代的照明趋势。

2.LED灯具分类和优点

一般LED照明灯具产品分为户外照明和室内照明两大系列，户外照明系列包括LED路灯、LED隧道灯、LED投光灯，可用于小区、街道、道路、投光照明。室内照明包括LED筒灯、LED日光灯、LED格栅灯、LED球泡，适用于家居、商业、机关、学校、部队、医院、航天等领域的室内照明场所，以及节日灯饰、公园、舞台等，可普遍代替传统的各种吊灯、筒灯、日光灯、灯条等灯具。

LED照明灯具不管应用在户外还是室内照明都具有以下的五大特点：

1）节能。采用高品质的LED光源，在同样的电能下1W发的光相当于白炽灯的4-5倍，是节能灯2倍以上。

2）环保。LED是半导体材料，无任何有害物质，可回收利用，因为属于固态，不易碎。

3）寿命长。LED灯具寿命正常使用下寿命普遍为节能灯的5倍以上。

4）光色纯正。LED显色指数(RA)比传统灯具要高，普遍达到75以上，传统灯大概是40-50.

5）可以工作在高速状态。节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很快的坏掉，LED属于半导体，可工作在高速开关状态。

二． LED灯具设计的关键问题

1.散热为LED灯具设计关键

一般常称LED为冷光源，这是因为LED的发光原理是电子经过复合直接发出光子，而不需要热的过程。但是由于焦耳热的存在，LED在发光的同时也有热量伴随。而与传统光源不同的是，钨丝灯等传统光源将热量集中在灯丝，但LED的光源的热量却集中在发光二极管的PN结面上，两者相较起来，钨丝灯的散热面积仍远大于PN结界面的面积，甚至PN结面可以视为1个点，LED发光产生的热能全部集中在单一点上。智慧智能照明系统在工程设计方面，“面”形式产生的热可用散热片或是自体增加热对流空间即可处理，但“点”状的热源在散热处理就更为复杂与困难，处理不妥很容易造成PN结面因高热、高电流出现击穿损坏，而组件长期处于高热，也会让产品的可用寿命受到影响。

另一方面，LED 晶粒为提升亮度表现，必须在单位LED上施加更多电源功率，同时灯具设计也会采较多数量的LED同时运行，这将使灯具内产生大量的热。当单颗LED晶粒随亮度提升，功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W，经LED光源模型实测分析结果，封装模组也会因增加发光效能而出现热阻抗攀升的问题。

LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源，过高的温度会缩短甚至终止其使用寿命；原本单颗LED组件具20,000—40,000小时寿命，可能因功率与散热处理不佳降至仅2,000小时。而且LED是温度敏感器件，当温度上升时，其发光效率急剧下降。所以系统结构设计及散热技术开发是LED灯具设计急需面对的课题。

2.LED灯具的二次配光设计至关重要

光源在空间各个方向的光强分布即为配光，为了使LED芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度的利用，并且在照明区域内满足设计要求，需要对LED进行光学系统的设计。其中，在封装过程中的设计被称为一次光学设计，在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果和光强、色温的分布设计被称为二次光学设计，也叫二次配光。

LED灯具的二次配光设计，对最终的照明器件和工程的性能起着至关重要的作用。第一，部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失，需要二次配光提高光能利用率；第二，封装之后，像面照度分布均匀性达不到设计要求，难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值，这都需要对LED灯具进行二次配光设计。

例如LED路灯，LED路灯配光是使光线尽可能投射到被照路面各个区域，获得符合道路照明要求的光分布。如果没有对LED路灯光源配光，照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑，会有部分光散落到路面之外而没有被利用。为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，智慧智能照明系统且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率，减少不必要的浪费，通常需要对LED路灯进行配光，LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳，如图1(b)所示。

a)未经配光 (b)经配光后 从LED路灯可以看出，配光设计是否准确到位是其能否替代传统光源的关键因素之一，研究LED灯具二次配光对今后LED照明的系统设计研究具有重要意义。

3.LED灯具系统的可靠性是基础

LED光源，有人称它为长寿灯，作为固体发光器件，其理论寿命应在10万小时以上，使用寿命远比传统光源要长，因此在一些不易更换、维护的场合使用，维护成本可大大降低。但是目前在许多实际应用中却无法看到这个优点，反而给使用者看到的是光衰严重，且寿命短，有的用不到1万小时就坏了。

例如，2009年开始的“十城万盏”示范项目全面催生了我国的室外照明市场，但是据有关部门统计，该项目中所使用的LED灯具有一小半出现了光衰严重乃至已经损坏的问题。若按目前LED的普遍寿命3-5万小时估计，那么3万小时折算下来是3.4年，该项目原定的60年的成本回收期饱受质疑。从这个情况来看，若以后没有“十城万盏”这类国家政策支持推进，LED光源替代传统光源的前景将非常堪忧。所以，提高LED灯具的质量和可靠性，对LED照明市场的信心和活力非常重要，LED灯具的可靠性是其相比传统灯具的优越性得以体现的基础。

4.室内LED灯具的显色性、眩光问题

有业内专家评估：等到30%左右老百姓家里使用LED灯管以及灯杯，才是LED真正鼎盛期。也就是说LED在室内照明的广泛应用才是LED行业真正的春天。不言而喻，室内照明设计的好坏直接影响人们的日常生活和工作。除了LED灯具的成本高难以被大众接受的问题之外，人体在LED光源下工作生活的健康和舒适是室内LED灯具的核心问题。这其中主要包括LED灯具的显色性、眩光等问题。

人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性，因此，对照明而言，光源的显色性往往比发光效率更重要。目前白光LED普遍使用发蓝光的LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石（YAG）荧光粉合成白光。由于其发光光谱中仅含蓝、黄两个波谱，所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题，不符合普通照明要求。所以，加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要课题。另外，LED灯具照明的眩光太强，远距离看只有一部分照进眼睛里，太刺眼。这也是一个亟待解决的技术问题。

除此之外，对于LED灯具，电源、光源以及驱动电路都是非常重要的组成部分，并且也是非常关键的技术。但笔者更倾向与将它们独立出去，不计为LED灯具的关键技术。

三． LED灯具设计的最新进展

1.散热问题

散热问题存在于LED灯具制造的各个环节，可以通过对各环节的制造工艺进行优化设计来改善整体散热效果，笔者在这里将工序分为三个阶段，并分别举例叙述散热技术的最新进展。

1） 芯片设计阶段

散热处理若从组件端着手，可在芯片设计阶段即进行散热规划，智慧智能照明系统针对LED磊晶进行的散热设计方式，针对高功率、高亮度的LED组件使用覆晶，即Flip-Chip形式（广州晶科），利用覆晶将磊晶内的热传导出来。另一种方式是采用垂直电极（Cree）制作LED，可在散热问题上得到更大帮助。或者使用导热性更好的衬底材料，比如SiC（Cree）等。

2） 封装阶段

LED封装是LED行业的咽喉，这一环节的散热优化对全局效果起到举足轻重的作用。一般可以通过选取导热性更好的封装材料和改变封装工艺的方法来实现。

l 封装新材料

 类钻炭膜（江苏鑫钻）、液态金属（常州泰和）、陶瓷基板（同欣电子）等

l 封装工艺

共晶焊接方法（Cree）、COHS（光海科技）、Lumileds Luxeon封装法等

3）灯具整体设计阶段

LED灯具整体散热设计包括散热模块和整体结构设计。散热模块现在主要种类有风扇强制散热、热管加鳍片、回路热管散热技术等。

整体机构设计方面各家LED应用企业各有特点。例如，杭科光电利用分布式散热技术，将LED热源分布到各独立的模组，模组之间形成加速对流层，利用热蜂窝效应，加速散热，突破LED路灯散热瓶颈。另外该公司研究了洞穿对流技术，将独有的洞穿对流技术运用到LED模组中，使模组内部也形成对流空气，大幅提升散热效果，降低LED结温，提高LED灯具寿命。

2.二次配光技术进展

目前，进行LED二次配光设计所使用的基本光学元件主要有透镜、反射镜和折光板等。

1）透镜

透镜的作用是使光源发出的光线进行汇聚和发散，起到改变出光角度的大小从而改变照明面积和照度的作用。在实际使用中，通过改变光源到镜头的距离来控制光束发散角。该距离减小、发散角增大，反之则减小。然而，透镜的使用会带来像差和光损耗。

2）反射镜

反射镜与透镜在原理上是不同的，透镜是利用折射原理，而反射镜采用反射或全反射原理，形状通常为旋转二次曲面，包括抛物面、椭球面和双曲面。

3）折光板

折光板的作用是改变光线的方向或在特定的方向上改变光束的角度，通常包括齿形折光板、梯形折光板和柱形或者球形折光板。

而光学设计所用的软件主要有Zemax、Lighttools、Asap和Tracepro等，它们各有特点和优势，为广大光学设计工程师喜爱。

3.可靠性方面

LED灯具的典型失效模式包含了不同层次的失效模式，涉及到LED封装结构以及工艺过程。LED在实际使用中，由于复杂的环境以及封装工艺局限性从而使封装材料退化、荧光粉退化、金属电迁移、局部温度过高产生的热应力所引起的芯片和硅胶的分层或金线断裂等等，从而影响LED发光甚至导致整个LED的失效。而且LED产生的高温会导致芯片的发光效率降低，光衰加快、色移等严重后果。

随着技术、工艺的提高，这类问题都会得到解决。尤其在国内LED行业大洗牌过程中，技术水准，尤其产品的可靠性将成为企业最为重要的生命力，届时LED照明行业会有一番新的形势，一改当下良莠不齐、鱼龙混杂的局面。另外，建立国家的产品标准和可靠性测试与评估也是非常有帮助的。

杭科光电设计的全独立式高效电源驱动，从系统维护的角度保证了LED路灯的可靠性。这种特殊的驱动方式，对每个LED模组独立供电，采用软开关技术和PFC技术实现高效率和高功率因数，三级隔离技术实现高可靠性，全独立设计使单一模组故障不影响整灯工作，单一模组可实现热插拔。另外该公司的无损伤拓扑技术使得单颗粒LED出现短路或者断路均不影响模组或者整灯正常工作，也不会影响其他LED颗粒的电流电压的分配，从而不影响其他颗粒的寿命。

4.室内灯具相关问题的进展

室内灯具的设计技术的进展的核心问题是光生物安全，智慧智能照明系统首先还是在高显色性，也就是荧光粉材料的配比。在现有的黄蓝光合成的LED封装锅中加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光室内照明需要考虑的，这方面需要封装企业对荧光粉工艺不断的调试和改进。

对于眩光，前欧普照明对外发布了的全新LED产品系列，据称采用了层次化的外观设计，配合截光角设计，能有效避免眩光。另外据了解，凸镜能够改变光源的发光角度及有效阻止眩光的产生。

国际标准化组织很早就开始考虑对LED光辐射的安全要求进行规范。最早，LED产品的光辐射安全要求被纳入到IEC60825-1标准中，按照激光产品的要求进行评价，但是LED毕竟和激光不一样，所以最后又被纳入非激光类产品标准IEC62471中进行考核。作为企业，应该始终关注并遵守相关规范，改进工艺，制造达到标准的LED灯具。

四． LED灯具发展展望

第一阶段，LED灯具替代接受阶段。在与传统光源一致的使用情况下，LED灯具特点体现：低碳环保、节能、长寿命等，使得市场容易接受它。尤其是在商用场合，讲究地是产品质量优势。

第二阶段，LED灯具实用新型阶段。在上一阶段的基础上，市场对LED灯具产品有了一定的认可和接受。LED灯具的环保、体积小、高可靠性等其他特性逐渐凸显出来。灯具行业也会出现更大更广的一个发展应用空间，光源不再是仅仅起到照明作用，随着城市文化建设日益受到重视，街道都已安放灯饰美化城市。所以，各厂商注重了设计应用优势。

第三阶段，LED灯具智能控制阶段。随着联网等新技术的发展，LED作为半导体产业，也将搭上这趟高速列车，发挥出其高可控性特点。从家庭到办公楼，从道路到隧道，从汽车到步行，从辅助照明到主照明，具备智能控制的LED照明灯具系统将给人类带来更高等级的服务。LED灯具产业也将由做产品，到设计产品，到提供整体解决方案的历程。

由于LED具有的多重特点，我们对它的美好未来充满期待的同时，也不应回避它目前存在的一些不足。初期，是LED灯具在发展初期，因产品特点多重，售价较高。而普通的白炽灯却是非常便宜，普通百姓对价格差距有一个接受过渡期。所以，初期，主要使用为商用、市场、街道居多。

五．总结

LED技术的不断提升和广泛应用，人们对LED灯具感官视觉追求的进一步提高，也对产品性能和产品设计提出更高的要求。这需要我们LED产业制造商、终端产品设计师更新标准动态。让我们一起努力，加快并迎接LED照明盛世的到来。