照明設(shè)計(jì)師可以原諒認(rèn)為選擇燈具的LED數(shù)量很簡單，但情況并非如此。雖然制造商在給定的結(jié)溫和正向電壓/電流下為其器件提供準(zhǔn)確的發(fā)光度數(shù)據(jù)，但任何給定應(yīng)用中的實(shí)際輸出都會(huì)受到許多其他因素的影響。

通過了解這些因素，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)過程的每個(gè)階段都做出深思熟慮的選擇，以確保產(chǎn)品中使用的每個(gè)LED在光度，功效，壽命和成本之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。精心設(shè)計(jì)將優(yōu)化給定規(guī)格所需的LED數(shù)量，從而降低產(chǎn)品的復(fù)雜性，尺寸和成本。本文將引導(dǎo)讀者完成設(shè)計(jì)過程的主要步驟，并描述每種產(chǎn)品對最終產(chǎn)品性能的影響。

滿足基準(zhǔn)

LED照明產(chǎn)品分為兩部分營地：改造，設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是將LED的優(yōu)勢帶到現(xiàn)有的外形尺寸，如流行的MR16，以及設(shè)計(jì)師獲得免費(fèi)的那些提出一個(gè)完整的燈具，如光引擎加夾具。第二種選擇通常比改造產(chǎn)生更好的電氣，光學(xué)和熱性能，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者不受現(xiàn)有夾具形狀因子的限制。本文重點(diǎn)介紹此選項(xiàng)。

在大多數(shù)情況下，燈具設(shè)計(jì)用于替換現(xiàn)有照明或針對標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。每個(gè)案例都為設(shè)計(jì)人員提供了新產(chǎn)品電氣和光學(xué)性能的基準(zhǔn)，從而使設(shè)置發(fā)光度，功效（在本文中定義為光通量（lm）/電功率（W））和壽命變得更加容易。和成本設(shè)計(jì)目標(biāo)。一旦確定了這些目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員就可以縮小他們選擇（和數(shù)量）LED以及滿足這些目標(biāo)所需的相關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的范圍。 LED選擇是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策，因?yàn)樗苯佑绊懓l(fā)光度，功耗，發(fā)熱量，復(fù)雜性，尺寸和成本。

考慮兩位設(shè)計(jì)師，負(fù)責(zé)開發(fā)一種額定輸出為900流明的新燈具（與傳統(tǒng)的白熾燈60 W燈泡相同）。在第一種情況下，愛麗絲選擇了一款高端Cree冷白（5000 K）LED，以此作為產(chǎn)品的基礎(chǔ)。 Cree是一家領(lǐng)先的LED制造商，其產(chǎn)品已在全球數(shù)百萬應(yīng)用中得到驗(yàn)證，因此這是一個(gè)明智的選擇。 Cree X-Lamp?XQ-E的結(jié)溫為25?C，正向電壓/電流為2.9 V和350 mA，可提供118流明（lm）的流明。

根據(jù)Cree的數(shù)據(jù)表，LED在此工作點(diǎn)的功效為116 lm/W.鮑勃采取了不同的方法，選擇使用Lumileds的中功率LED，即冷白色（5000 K）Luxeon?3535L。雖然沒有提供高功率LED的亮度，但這種中檔設(shè)備的價(jià)格非常高，可以提供更多的lm/$。 Lumileds數(shù)據(jù)表顯示，3535L在3.05 V和100 mA下輸出42 lm，在此工作點(diǎn)的功效為138 lm/W.

雖然根據(jù)數(shù)據(jù)表中給出的標(biāo)稱輸出確定提供900 lm輸出所需的LED數(shù)量相對簡單（在這種情況下，8個(gè)Cree LED和22個(gè)Lumileds設(shè)備），設(shè)計(jì)師需要在計(jì)算最終數(shù)量之前考慮其提出的產(chǎn)品的其他特性對輸出的影響。

首先是夾具本身的設(shè)計(jì)。無論LED如何定位在裝置中，一些光線在從燈具中逸出之前都會(huì)被吸收。也就是說，LED燈在這方面優(yōu)于其他形式的照明，因?yàn)楣馔ǔＶ苯訌男酒那安堪l(fā)射，限制了多少誤入歧途。相比之下，緊湊型熒光燈泡在所有方向發(fā)光，包括直接回到燈具本身。 LED燈具可能會(huì)采用反射杯來減少吸收，但有些損失是不可避免的。

燈具的效率取決于光源的位置，燈具外殼的形狀和燈具中使用的材料。效率可以表示為“利用系數(shù)”，并且是發(fā)射流明實(shí)際到達(dá)工作表面的百分比的度量。通常，對于精心設(shè)計(jì)的LED產(chǎn)品（即在所需方向上使用高反射率的反射杯），以及類似設(shè)計(jì)良好的CFL裝置的50％至60％（圖1），這一比例為75％至85％。

圖1：與CFL等光源（右）相比，LED通常向前發(fā)光（左），提高了它們的利用率（圖片提供） Cree）

一些LED燈具設(shè)計(jì)將使用二次光學(xué)器件，例如，修改光束圖案或漫射光線以獲得更微妙的照明效果。二次光學(xué)器件將再次吸收LED發(fā)射的一些光子，典型效率在85％至95％的范圍內(nèi)。為了便于討論，我們假設(shè)Alice和Bob都做好了設(shè)計(jì)夾具的工作，各自產(chǎn)品的利用率系數(shù)為85％，二次光學(xué)系統(tǒng)的效率為95％。這為（85 x 95）/100 = 80.75％的設(shè)計(jì)提供了光學(xué)效率。

熱管理

LED熾熱，熱量有三個(gè)主要影響：光度降低，功效惡化，壽命縮短（參見“了解高亮度LED褪色的原因”）。憑借良好的散熱設(shè)計(jì)（請參閱庫中有關(guān)此主題的大量文章，包括“LED熱管理的基礎(chǔ)知識”），應(yīng)該可以將LED的結(jié)溫限制在80?到100?C之間。這是一個(gè)很好的基準(zhǔn)，因?yàn)楦哂诖藴囟确秶牟僮鲿?huì)顯著增加早期故障的風(fēng)險(xiǎn)。

許多制造商的“標(biāo)題”亮度在25?C時(shí)引用，因此有必要深入研究數(shù)據(jù)表檢查升高的工作溫度對光度的影響程度。假設(shè)Alice的設(shè)計(jì)在結(jié)溫為90?C時(shí)運(yùn)行，Cree數(shù)據(jù)表顯示，與25?C相比，LED將產(chǎn)生80％的輸出。同樣，Lumileds 3535L LED的數(shù)據(jù)表顯示，在55?C時(shí)的發(fā)光度是25?C時(shí)的亮度的88％（圖2）。

< p>圖2：Lumiled的LUXEON 3535L的相對亮度與結(jié)溫的關(guān)系圖表明，在55?C時(shí)的發(fā)光度是25?C時(shí)的88％。綠線對應(yīng)Bob的選定LED。 （圖片由Lumileds提供）

在使用制造商引用的正向（驅(qū)動(dòng)）電壓和電流數(shù)據(jù)時(shí)，需要采取類似的措施。亮度與正向電壓/電流成正比，隨著燈芯亮起趨于增加。因此，對于設(shè)計(jì)者來說，增加驅(qū)動(dòng)電壓/電流以最大化LED的發(fā)光度并因此減少給定輸出所需的數(shù)量可能是誘人的。雖然這是一種可接受的策略（參見圖書館文章“最大化LED亮度以降低系統(tǒng)成本”）但它并非沒有缺點(diǎn)。

首先，雖然它們發(fā)出更多光，但LED在更高的正向電壓/電流下效率會(huì)降低。其次，更高的正向電壓/電流產(chǎn)生更多的熱量（如上所述）抵消了一些光度增益，同時(shí)縮短了LED的壽命。正向電壓/電流的選擇再次在輸出，功效和壽命之間進(jìn)行權(quán)衡。

在愛麗絲的情況下，產(chǎn)品規(guī)格要求低功耗和長壽命，因此她選擇限制正向電壓/電流以最大化功效并保持結(jié)溫降低而犧牲光度。對于Alice來說，Cree LED最有效的工作點(diǎn)是2.85 V/300 mA，此時(shí)每個(gè)器件在數(shù)據(jù)表中引用的350 mA測試電流下產(chǎn)生85％的發(fā)光度。 （注意，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，效率會(huì)降低。在這種情況下，Alice已經(jīng)考慮到這一點(diǎn)，假設(shè)她的設(shè)計(jì)將在90° o C的結(jié)溫下運(yùn)行。）Bob的規(guī)范要求最大化發(fā)光度（在他指定的結(jié)溫范圍內(nèi)）以犧牲功耗為代價(jià)，因此他選擇以相對較高的正向電壓/電流3.2 V/150 mA為其芯片供電。此時(shí)LED的發(fā)光度是100 mA測試電流下發(fā)光度的150％（圖3）。 （另請參閱TechZone文章“優(yōu)化LED性能”。）

圖3：Lumiled的LUXEON 3535L相對于正向電流的相對亮度（藍(lán)線）。為了獲得最大亮度，Bob選擇以相對較高的正向電壓/電流3.2 V/150 mA為芯片供電，在100 mA的測試電流下LED亮度為其發(fā)光度的150％。

考慮到設(shè)備參數(shù)如何影響燈具的亮度，Alice和Bob現(xiàn)在可以計(jì)算出滿足900 lm規(guī)格所需的LED數(shù)量。

最后一個(gè)要點(diǎn)是：制造商傾向于在數(shù)據(jù)表摘要中列出其設(shè)備的典型輸出，但更重要的數(shù)字是最小亮度。通過設(shè)計(jì)到最小值，照明工程師確保使用帶有訂單代碼的LED制造的所有燈具都符合規(guī)格。

Alice的Cree X-Lamp X-QE LED數(shù)據(jù)表注意到典型值為118 lm ，但最小值列為114 lm。同樣，Bob的Lumileds 3535L LED的典型輸出功率為42流明，但最低為36流明。

從每個(gè)LED的標(biāo)稱輸出114 lm開始，Alice需要降低設(shè)備的亮度，以考慮所選的正向電壓/電流（2.85 V/300 mA）（114 lm x 0.85 = 97 LM）。由于工作結(jié)溫為90?C（97 lm x 0.8 = 78 lm），需要進(jìn)一步降額以補(bǔ)償損耗。愛麗絲現(xiàn)在必須考慮到她的燈具81％的光學(xué)效率，這要求她需要在源頭將輸出提高到1115流明，以確保從產(chǎn)品中釋放出900流明。因此，所需的LED數(shù)量為1115 lm/78 lm = 15.

Bob的類似計(jì)算為36 lm x 1.5 = 54 lm，然后54 lm x 0.88 = 48 lm，最終結(jié)果為1115 lm/48 lm = 24個(gè)LED。 （請注意，初始“粗略”計(jì)算表明分別需要8個(gè)和22個(gè)設(shè)備。）

考慮電效率

雖然不直接影響光度，但同樣重要的是設(shè)計(jì)人員考慮了效率（定義為供電（W）所消耗的功率（W）/功率輸出（W），所選電源的無量綱數(shù)字（以百分比表示）（特別是如同在Alice的情況下，燈具的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)是低功耗）。 LED的功效將決定電源輸出每瓦特產(chǎn)生多少流明，但電源效率對燈具的整體功耗有很大貢獻(xiàn)。

考慮德州儀器（TI）的LM3406HV，這是一種流行的開關(guān)電源，用于以恒定電流驅(qū)動(dòng)高功率LED。該降壓（“降壓”）穩(wěn)壓器能夠在6至75 V的輸入電壓下工作，并可驅(qū)動(dòng)多達(dá)5個(gè)串聯(lián)LED，最大輸出電流為1.5 A.

LM3406HV的效率受兩個(gè)關(guān)鍵特性的影響：串聯(lián)的LED數(shù)量和輸出電流。鏈中有一個(gè)LED，驅(qū)動(dòng)器的效率為83％，為五個(gè)設(shè)備供電時(shí)上升到95％以上（圖4）。

同樣，峰值效率在750 mA（93％）的輸出電流下發(fā)生，盡管在300 mA至1.5 A輸出電流范圍內(nèi)它超過91％。如果Alice為她的燈具選擇了三個(gè)LM3406，每個(gè)驅(qū)動(dòng)五個(gè)Cree LED串聯(lián)在她選擇的2.85 mA/300 mA工作點(diǎn)，每組5個(gè)LED將消耗大約4.3 W（忽略非LED電壓下降）。電源工作效率約為91％，總系統(tǒng)功耗約為（3 x 4.3 W）14 W，整體燈具效率為900 lm/14 W = 64 lm/W.

圖4：TI LM3406 LED驅(qū)動(dòng)器的效率隨著串聯(lián)LED的增加而增加。

結(jié)論

它可以是全部LED制造商的產(chǎn)品標(biāo)題數(shù)據(jù)太容易被人們所接受。雖然通常是準(zhǔn)確的，但這些數(shù)字通常受到營銷部門的需求的影響，并且是在LED在理想條件下運(yùn)行時(shí)得出的。這些條件很少考慮照明設(shè)計(jì)者通常操作的空間，熱，電和成本限制。實(shí)驗(yàn)室中的LED與消費(fèi)產(chǎn)品中的相同設(shè)備之間的亮度衰減可能會(huì)被標(biāo)記。

然而，通過遵循一種考慮到光損失發(fā)生的簡單方法對于燈具設(shè)計(jì)的物理方面及其操作特性，可以直接計(jì)算實(shí)際產(chǎn)品的發(fā)光度，以確保合并足夠的LED，使產(chǎn)品符合其規(guī)格。好消息是，雖然計(jì)算所需的信息可能不會(huì)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)表的第一頁上，但有信譽(yù)的LED制造商確實(shí)在產(chǎn)品的詳細(xì)描述中提供了這些信息。