《電子技術應用》
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如何做好LED照明設計
摘要: 想做好一個LED照明產品最關鍵的幾個部分不能不知,通俗的說就是配光、結構、電子,而配光、結構、電子用專業術語表達為:光性能、熱性能、電性能。在此同時,配光顯得尤為重要,不懂配光,就做不好LED照明,確定用誰的LED封裝結構;接下來考慮怎樣適應這些封裝形式;由我們選擇的機會不多,光學結構是建立在這些封裝之上的;我們很多創意不能很好的發揮。
關鍵詞: LED LED照明 LED封裝
Abstract:
Key words :

  想做好一個LED照明產品最關鍵的幾個部分不能不知,通俗的說就是配光、結構、電子,而配光、結構、電子用專業術語表達為:光性能、熱性能、電性能。在此同時,配光顯得尤為重要,不懂配光,就做不好LED照明,確定用誰的LED封裝結構;接下來考慮怎樣適應這些封裝形式;由我們選擇的機會不多,光學結構是建立在這些封裝之上的;我們很多創意不能很好的發揮。

  熱性能(結構)

  照明用的LED發光效率和功率的提供是LED產業的關鍵之一,在此同時,LED的PN結溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要。PN結溫與燈體溫度差異越大,那么熱阻越大,隨之光能被轉換成熱能白白消耗掉,嚴重時LED損壞。一個好的結構工程師,不僅要考慮燈具的結構與LED的熱阻,還要考慮燈具的外形是否合理、時尚、新穎,當然還有可靠性和可維護性以及實用性,即要站在設計者的角度去思考,又要站在用戶的角度去考量產品…

  1、最短的熱傳到路徑,減小熱傳導阻力;

  2、增大相互傳導面積,增加熱傳到速度;

  3、合理的計算設計散熱面積;

  4、有效的利用熱容量效應。
 
  目前上游龍企業,比如CREE已經可以做到的芯片光效可以達到130-150lm/W。但是LED結溫高低直接影響到LED出光效率、器件壽命、可靠性、發射波長等。保持LED結溫在允許的范圍內,是大功率LED芯片制備、器件封裝和器件應用等每個環節都必須重點研究的關鍵因素,尤其是LED器件封裝和器件應用設計必須著重解決的核心問題。

  現在主流的應用技術材質是用鋁基板來封裝,但是鋁基板封裝的芯片散熱和光轉換效率都存在技術核心瓶頸,不能有效地控制結溫和穩定地維持高功率的光輸出,并且應用會因為芯片光效越高,所

  想做好一個LED照明產品最關鍵的幾個部分不能不知,通俗的說就是配光、結構、電子,而配光、結構、電子用專業術語表達為:光性能、熱性能、電性能。在此同時,配光顯得尤為重要,不懂配光,就做不好LED照明,確定用誰的LED封裝結構;接下來考慮怎樣適應這些封裝形式;由我們選擇的機會不多,光學結構是建立在這些封裝之上的;我們很多創意不能很好的發揮。

  熱性能(結構)

  照明用的LED發光效率和功率的提供是LED產業的關鍵之一,在此同時,LED的PN結溫度及殼體散熱問題顯得尤為重要。PN結溫與燈體溫度差異越大,那么熱阻越大,隨之光能被轉換成熱能白白消耗掉,嚴重時LED損壞。一個好的結構工程師,不僅要考慮燈具的結構與LED的熱阻,還要考慮燈具的外形是否合理、時尚、新穎,當然還有可靠性和可維護性以及實用性,即要站在設計者的角度去思考,又要站在用戶的角度去考量產品…

  1、最短的熱傳到路徑,減小熱傳導阻力;

  2、增大相互傳導面積,增加熱傳到速度;

  3、合理的計算設計散熱面積;

  4、有效的利用熱容量效應。
 
  目前上游龍企業,比如CREE已經可以做到的芯片光效可以達到130-150lm/W。但是LED結溫高低直接影響到LED出光效率、器件壽命、可靠性、發射波長等。保持LED結溫在允許的范圍內,是大功率LED芯片制備、器件封裝和器件應用等每個環節都必須重點研究的關鍵因素,尤其是LED器件封裝和器件應用設計必須著重解決的核心問題。

  現在主流的應用技術材質是用鋁基板來封裝,但是鋁基板封裝的芯片散熱和光轉換效率都存在技術核心瓶頸,不能有效地控制結溫和穩定地維持高功率的光輸出,并且應用會因為芯片光效越高,所

需的鋁基板面積就越大,會加大成本和應用體積,極為不便。所以如何走出此誤區另辟新路是新的技術核心特點。在保持低成本和被動散熱方式的前提下,利用高導熱介質,通過嶄新的器件/燈具整體結構,降低熱阻,降低PN結結溫,使PN結工作在允許工作溫度內,保持最大量光子輸出,其起碼的要求如下:

  (1)超低熱阻材料,快速散熱整體結構技術;

  (2)高導熱、抗UV封裝技術;

  (3)應用低環境應力結構技術;

  (4)整體熱阻<20K/W,結溫<80度;

  (5)LED光源照明模組工作溫度控制在65℃以下。

 

  光性能(配光)

  LED的光學性能主要涉及到光譜、光度和色度等方面的性能要求。根據新制定的行業標準“半導體發光二極管測試方法”,主要有發光峰值波長、光譜輻射帶寬、軸向發光強度角、光通量、輻射通量、發光效率、色品坐標、相關色溫、色純度和主波長、顯色指數等參數。顯示用的LED,主要是視覺的直觀效果,因此對相關顯色指數不作要求,而照明用的白光LED,色溫、顯色指數和照度就尤為重要,它是照明氣氛和效果的重要指標,而色純度和主波長一般沒有要求。

  目前全球LED行業內的主流做法是在封裝LED芯片形成光源或光源模組以后,在做成燈具的時候再進行配光,這樣采用的是原有傳統光源的做法,因為傳統光源是360°發光。如果要把光導到應用端,目前飛利浦的傳統燈具做到最好的一款,光損失也達到40%。而我們國內眾多的LED下游廠家應用的燈具光學參數其實都是芯片或者光源的光學參數,而不是整體燈具的的光學指標參數。

  現在最先進的科學方法是在芯片封裝上就做配光,一次把芯片的光導出來,維持最大的光輸出,這樣光損率只有5%-10%。隨著技術的不斷改進,光損率將會越來越低,光源的光效會越來越高。同樣配有這樣的光源燈具無需再做配光,相對的燈具效率將會大大提高,使之更為廣泛地使用到功能性照明之中,形成相當規模的市場渠道。因此一個好的LED供應商,是我們當務之急,我們沒必要花高代價去研究我們的LED如何去配光為好,也不需要花很多時間和經歷讓工程師去用軟件仿真,最簡單的方法就是讓LED白光供應商來配合。要知道,我們的工程師如用軟件去仿真,那么必需的動作就是輸入和輸出。輸入即前期的數據導入,輸出則仿真的結果,那么要求前期的數據必須準確無誤后端的仿真才能正確。

 

  電性能(電子)

  如果把一個照明燈具比喻成一個少女,那么配光是她的內涵、結構則是她的容貌、電子就是她的心臟。(吸引人們眼球的總是那些外表美麗、時尚的美女們,產品亦是如此)。人沒有心臟則沒有生命,燈具沒有電子則不成電源,一個好的驅動電源也能決定一個產品的壽命。電子方面的標準和參數往往要比結構復雜得多,前期的研發精力投入也比較大。目前的技術走向和更新是日新月異,一天一個樣…工程師們得花很大的精力去學習、吸收、分解、應用新技術。電子設計的前期計劃,中期實施,后期的成型整個過程需形成文件、形成數據這也是設計中最繁瑣的事情。比如:一個電源設計時的一個前期方案,產品簡介、標準規范依據、安全規格依據、電性能期望值、工藝要求、原材料評估、測試方法等等都要形成系統文件…

  LED電源作為LED燈的核心部件,猶如LED的心臟,LED驅動電源的好壞直接決定了LED燈具的好壞。

  首先,在結構設計上,室外LED驅動電源必須有嚴格的防水功能,否則,無法承受外界惡劣的使用環境。

  其次,LED驅動電源的防雷功能也致關重要。外界工作時難免遇到雷雨天氣,如果驅動電源無防雷功能,將直接影響LED燈具壽命,增加燈具維護成本;

  最后,在原材料的選用上,其可靠性必須滿足其壽命需求,功能特性需足夠的好。目前LED芯片理論壽命大約是10萬小時,而業界元器件壽件如要與之匹配,關鍵元器件的選擇必須經過完善的DMT、DVT的驗證管理,以保證長壽命及產品可靠性要求,否則電源壽命不夠,燈具壽命也就無法實現。

  20W以內市電驅動時48V左右比較合適;

  較大的功率市電驅動輸出電壓36V左右最合適;

  離線式照明大部分是12V和24V電壓。

  特點:

  基于串并聯安全考慮出負載合適的驅動電壓值,盡量統一電壓值減小電源設計規格成本;

  基于安規規定,產品設計要符合認證要求,流峰值超過42.4Vac或直流超過60Vdc的電壓 ;

  從解決LED照明市場大規模上量的技術和品質問題考慮。

 

  LED驅動電源(電子設計)的可靠性是支撐LED發展的基礎,LED驅動電源在節能、高效、壽命優于傳統燈具,才能讓LED真正做到節能降耗,促進產業的發展。LED的散熱(結構設計),是決定光通維持率,組件、設備安全的關鍵。LED配光(光學設計),是行業技術水平象征。掌握好以上3大技術,LED照明也就簡單了。

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