led燈具的關鍵技術()

1、led/燈重點、術/ /5 /5LED燈具設計重點技術及最新進展陳俞榮浙大光電系1.行業(yè)背景最近幾年來LED照明家產(chǎn)的發(fā)展獲得了日新月異的發(fā)展。跟著全世界公眾節(jié)能意識的高漲,以及在相對較高的電價下，促進建筑、商業(yè)應用領域連續(xù)導入LED照明，而日本、北美、歐洲及中國大陸則成為主要應用市場。據(jù)認識,2010年全世界LED照明市場規(guī)模達49.8億美元，較2009年大幅成長46%。工研院IEK預估，2015年全世界LED照明市場產(chǎn)值將上漲至212億美元，市場浸透率達15%。LED燈具擁有節(jié)能環(huán)保、長壽命、高光效等特色，并以多樣化、重申設計與流行、功能性為決勝重點，遇到了市場的歡迎。跟著LED照明燈具家

2、產(chǎn)的發(fā)展，LED照明燈具產(chǎn)品成為了新一代的照明趨向。2.LED燈具分類和長處一般LED照明燈具產(chǎn)品分為戶外照明和室內(nèi)照明兩大系列，戶外照明系列包含LED路燈、LED地道燈、LED投光燈，可用于小區(qū)、街道、道路、投光照明。室內(nèi)照明包含LED筒燈、LED日光燈、LED格柵燈、LED球泡，合用于家居、商業(yè)、機關、學校、隊伍、醫(yī)院、航天等領域的室內(nèi)照明場所，以及節(jié)日燈飾、公園、舞臺等，可廣泛取代傳統(tǒng)的各樣吊燈、筒燈、日光燈、燈條等燈具。LED照明燈具不論應用在戶外仍是室內(nèi)照明都擁有以下的五大特色：1）節(jié)能。采納高質(zhì)量的LED光源，在相同的電能下1W發(fā)的光相當于白熾燈的4-5倍，是節(jié)能燈2倍以上。2）環(huán)

3、保。LED是半導體資料，無任何有害物質(zhì)，可回收利用，因為屬于固態(tài)，不易碎。3）壽命長。LED燈具壽命正常使用下壽命廣泛為節(jié)能燈的5倍以上。4）光色純正。LED顯色指數(shù)（RA）比傳統(tǒng)燈具要高，廣泛達到75以上，傳統(tǒng)燈大體是40-50.5）能夠工作在高速狀態(tài)。節(jié)能燈假如屢次的啟動或關斷燈絲就會發(fā)黑很快的壞掉，LED屬于半導體，可工作在高速開關狀態(tài)。二LED燈具設計的重點問題1.散熱為LED燈具設計重點一般常稱LED為冷光源，這是因為LED的發(fā)光原理是電子經(jīng)過復合直接發(fā)出光子，而不需要熱的過程。可是因為焦耳熱的存在，LED在發(fā)光的同時也有熱量陪伴。而與傳統(tǒng)光源不同的是，鎢絲燈等傳統(tǒng)光源將熱量集中在燈

4、絲，但LED的光源的熱量卻集中在發(fā)光二極管的PN結面上，二者相較起來，鎢絲燈的散熱面積仍遠大于PN結界面的面積，甚至PN結面能夠視為1個點，LED發(fā)光產(chǎn)生的熱能所有集中在單調(diào)點上。在工程設計方面，“面”形式產(chǎn)生的熱可用散熱片或是自體增添熱對流空間即可辦理，但“點”狀的熱源在散熱辦理就更加復雜與困難，辦理不當很簡單造成PN結面因高熱、高電流出現(xiàn)擊穿破壞，而組件長久處于高熱，也會讓產(chǎn)品的可用壽命遇到影響。另一方面，LED晶粒為提咼亮度表現(xiàn)，一定在單位LED上施加更多電源功率，同時燈具設計也會采許多半量的LED同時運轉(zhuǎn)，這將使燈具內(nèi)產(chǎn)生大批的熱。當單顆LED晶粒隨亮度提高，功耗也由0.1W提高到1、

5、3、甚至5W，經(jīng)LED光源模型實測剖析結果，封裝模組也會因增添發(fā)光效能而出現(xiàn)熱阻抗爬升的問題。LED不同于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源，過高的溫度會縮短甚至停止其使用壽命；本來單顆LED組件具20,00040,000小時壽命，可能因功率與散熱辦理不好降至僅2,000小時。并且LED是溫度敏感器件，當溫度上漲時，其發(fā)光效率急劇降落。所以系統(tǒng)構造設計及散熱技術開發(fā)是LED燈具設計急需面對的課題。LED燈具的二次配光設計至關重要光源在空間各個方向的光強散布即為配光，為了使LED芯片發(fā)出的光能夠更好地輸LED進行光學系LED發(fā)光器件時,出，獲取最大程度的利用，并且在照明地區(qū)內(nèi)知足設計要求，需要對統(tǒng)的設

6、計。此中，在封裝過程中的設計被稱為一次光學設計，在使用整個系統(tǒng)的出光成效和光強、色溫的散布設計被稱為二次光學設計，也叫二次配光。LED燈具的二次配光設計，對最后的照明器件和工程的性能起著至關重要的作用。一，部分光芒未能達到有效的照明范圍進而致使能量的損失，需要二次配光提高光能利用率；第二，封裝以后，像面照度散布平均性達不到設計要求，難以在每一點的照度值都大于要求的最低照度值，這都需要對LED燈具進行二次配光設計。比如LED路燈，LED路燈配光是使光芒盡可能投射到被照路面各個地區(qū)，獲取切合道路照明要求的光散布。假如沒有對LED路燈光源配光，照耀在路面上的光型為面積較大1(a)所示。為了知足對路的

7、圓形光斑，會有部分光散落到路面以外而沒有被利用，如圖面的亮度、照度、平均度的要求，且盡可能使得大多半光都散布在道路面上以提高燈光的利用率，減少不用要的浪費，往常需要對LED路燈進行配光，LED路燈輸出的光芒照耀在路面上所形成的光型或光斑以矩形為佳，如圖1(b)所示。a)未經(jīng)配光(b)經(jīng)配光后圖(1)LED路燈配光表示圖從LED路燈能夠看出，配光設計能否正確到位是其可否代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源的重點要素之一，研究LED燈具二次配光對此后LED照明的系統(tǒng)設計研究擁有重要意義。LED燈具系統(tǒng)的靠譜性是基礎LED光源，有人稱它為長壽燈，作為固體發(fā)光器件，其理論壽命應在10萬小時以上,使用壽命遠比傳統(tǒng)光源要長，所以

8、在一些不易改換、保護的場合使用，保護成本可大大降低。可是當前在很多實質(zhì)應用中卻沒法看到這個長處，反而給使用者看到的是光衰嚴重，且壽命短，有的用不到1萬小時就壞了。比如，2009年開始的“十城萬盞”示范項目全面催生了我國的室外照明市場，可是占有關部門統(tǒng)計，該項目中所使用的LED燈擁有一小半出現(xiàn)了光衰嚴重以致已經(jīng)破壞的問題。若按當前LED的廣泛壽命3-5萬小時預計，那么3萬小時折算下來是3.4年，該項目原定的60年的成本回收期飽受懷疑。從這個狀況來看，若此后沒有“十城萬盞”這類國家政策支持推動，LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源的遠景將特別堪憂。所以，提高LED燈具的質(zhì)量和靠譜性，對LED照明市場的信心和活力

9、特別重要，LED燈具的靠譜性是其對比傳統(tǒng)燈具的優(yōu)勝性得以表現(xiàn)的基礎。室內(nèi)LED燈具的顯色性、眩光問題有業(yè)內(nèi)專家評估：等到30%左右老百姓家里使用LED燈管以及燈杯，才是LED真實鼎盛期。也就是說LED在室內(nèi)照明的寬泛應用才是LED行業(yè)真實的春季。不問可知，室內(nèi)照明設計的利害直接影響人們的平時生活和工作。除了LED燈具的成本高難以被大眾接受的問題以外，人體在LED光源下工作生活的健康和舒坦是室內(nèi)LED燈具的核心問題。這此中主要包含LED燈具的顯色性、眩光等問題。人眼對色差的敏感性大大高于對光強弱的敏感性，所以，比較明而言，光源的顯色性常常比發(fā)光效率更重要。當前白光LED廣泛使用發(fā)藍光的LED疊加

10、由藍光激發(fā)的發(fā)黃光的釔鋁石榴石（YAG）熒光粉合成白光。因為其發(fā)光光譜中僅含藍、黃兩個波譜，所以存在色溫偏高、顯色指數(shù)偏低的問題，不切合一般照明要求。所以，加入適當發(fā)紅光的熒光粉并能保持較高發(fā)光效率是LED白光照明中的一個重要課題。此外，LED燈具照明的眩光太強，遠距離看只有一部分照進眼睛里，太刺目。這也是一個亟待解決的技術問題。除此以外，關于LED燈具，電源、光源以及驅(qū)動電路都是特別重要的構成部分，并且也是特別重點的技術。但筆者更偏向與將它們獨立出去，不計為LED燈具的重點技術。三LED燈具設計的最新進展1.散熱問題散熱問題存在于LED燈具制造的各個環(huán)節(jié)，能夠經(jīng)過對各環(huán)節(jié)的制造工藝進行優(yōu)化設

11、計來改良整體散熱成效，筆者在這里將工序分為三個階段，并分別舉例表達散熱技術的最新進展。1）芯片設計階段散熱辦理若從組件端著手，可在芯片設計階段即進行散熱規(guī)劃，針對LED磊晶進行的散熱設計方式，針對高功率、高亮度的LED組件使用覆晶，即Flip-Chip形式（廣州晶科）利用覆晶將磊晶內(nèi)的熱傳導出來。另一種方式是采納垂直電極（Cree）制作LED，可在散熱問題上獲取更大幫助?；蛟S使用導熱性更好的襯底資料，比方SiC（Cree）等。2）封裝階段LED封裝是LED行業(yè)的咽喉，這一環(huán)節(jié)的散熱優(yōu)化對全局成效起到舉足輕重的作用。一般能夠經(jīng)過選用導熱性更好的封裝資料和改變封裝工藝的方法來實現(xiàn)。封裝新資料類鉆炭

12、膜（江蘇鑫鉆）、液態(tài)金屬（常州泰和）、陶瓷基板（同欣電子）等封裝工藝led燈具的重點技術（）led燈具的重點技術() /5 #/5共晶焊接方法（Cree）、COHS（光?？萍迹?、LumiledsLuxeon封裝法等3）燈具整體設計階段LED燈具整體散熱設計包含散熱模塊和整體構造設計。散熱模塊此刻主要種類有電扇強迫散熱、熱管加鰭片、回路熱管散熱技術等。整體機構設計方面各家LED應用公司各有特色。比如，杭科光電利用散布式散熱技術，將LED熱源散布到各獨立的模組，模組之間形成加快對流層，利用熱蜂窩效應，加快散熱，打破LED路燈散熱瓶頸。此外該公司研究了洞穿對流技術，將特有的洞穿對流技術運用到LED模

13、組中，使模組內(nèi)部也形成對流空氣，大幅提高散熱成效，降低LED結溫，提高LED燈具壽命。2.二次配光技術進展當前，進行LED二次配光設計所使用的基本光學元件主要有透鏡、反射鏡和折光板等。1）透鏡透鏡的作用是使光源發(fā)出的光芒進行匯聚和發(fā)散，起到改變出光角度的大小進而改變照明面積和照度的作用。在實質(zhì)使用中，經(jīng)過改變光源到鏡頭的距離來控制光束發(fā)散角。該距離減小、發(fā)散角增大，反之則減小。但是，透鏡的使用會帶來像差和光消耗。2）反射鏡反射鏡與透鏡在原理上是不同的，透鏡是利用折射原理，而反射鏡采納反射或全反射原理，形狀往常為旋轉(zhuǎn)二次曲面，包含拋物面、橢球面和雙曲面。3）折光板折光板的作用是改變光芒的方向或在

14、特定的方向上改變光束的角度，往常包含齒形折光板、梯形折光板和柱形或許球形折光板。而光學設計所用的軟件主要有Zemax、Lighttools、Asap和Tracepro等，它們各有特色和優(yōu)勢，為廣大光學設計工程師喜歡。3.靠譜性方面LED燈具的典型無效模式包含了不同層次的無效模式，波及到LED封裝構造以及工藝過程。LED在實質(zhì)使用中，因為復雜的環(huán)境以及封裝工藝限制性進而使封裝資料退化、熒光粉退化、金屬電遷徙、局部溫度過高產(chǎn)生的熱應力所惹起的芯片和硅膠的分層或金線斷裂等等，進而影響LED發(fā)光甚至致使整個LED的無效。并且LED產(chǎn)生的高溫會致使芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴重結果。跟著技術、

15、工藝的提高，這種問題都會獲取解決。特別在國內(nèi)LED行業(yè)大洗牌過程中，技術水平，特別產(chǎn)品的靠譜性將成為公司最為重要的生命力，屆時LED照明行業(yè)會有一番新的局勢，一改當下參差不齊、魚龍混淆的場面。此外，成立國家的產(chǎn)品標準和靠譜性測試與評估也是特別有幫助的。杭科光電設計的全獨立式高效電源驅(qū)動，從系統(tǒng)保護的角度保證了LED路燈的靠譜性。這種特別的驅(qū)動方式，對每個LED模組獨立供電，采納軟開關技術和PFC技術實現(xiàn)高效率和高功率因數(shù)，三級隔絕技術實現(xiàn)高靠譜性，全獨立設計使單調(diào)模組故障不影響整燈工作，單調(diào)模組可實現(xiàn)熱插拔。此外該公司的無損害拓撲技術使得單顆粒LED出現(xiàn)短路或許斷路均不影響模組或許整燈正常工作

16、，也不會影響其余LED顆粒的電流電壓的分派，進而不影響其余顆粒的壽命。4.室內(nèi)燈擁有關問題的進展室內(nèi)燈具的設計技術的進展的核心問題是光生物安全，第一仍是在高顯色性，也就是熒光粉資料的配比。在現(xiàn)有的黃藍光合成的LED封裝鍋中加入適當發(fā)紅光的熒光粉并能保持較高發(fā)光效率是LED白光室內(nèi)照明需要考慮的，這方面需要封裝公司對熒光粉工藝不停的調(diào)試和改良。關于眩光，前歐普照明對外公布了的嶄新LED產(chǎn)品系列，據(jù)稱采納了層次化的外觀設計，配合截光角設計，能有效防止眩光。此外據(jù)認識，凸鏡能夠改變光源的發(fā)光角度及有效阻擋眩光的產(chǎn)生。國際標準化組織很早就開始考慮對LED光輻射的安全要求進行規(guī)范。最早，LED產(chǎn)品的光輻

17、射安全要求被歸入到IEC60825-1標準中，依據(jù)激光產(chǎn)品的要求進行評論，可是LED畢竟和激光不相同，所以最后又被歸入非激光類產(chǎn)品標準IEC62471中進行查核。作為企業(yè)，應當一直關注并恪守有關規(guī)范，改良工藝，制造達到標準的LED燈具。四LED燈具發(fā)展展望LED燈具特第一階段，LED燈具代替接受階段。在與傳統(tǒng)光源一致的使用狀況下，色表現(xiàn)：低碳環(huán)保、節(jié)能、長壽命等，使得市場簡單接受它。特別是在商用處合，講究地是產(chǎn)質(zhì)量量優(yōu)勢。LED燈具產(chǎn)品有第二階段，LED燈具適用新式階段。在上一階段的基礎上，市場對了必定的認同和接受。LED燈具的環(huán)保、體積小、高靠譜性等其余特征漸漸突顯出來。燈具行業(yè)也會出現(xiàn)更大更廣的一個發(fā)展應用空間，光源不再是只是起到照明作用，跟著城市文化建設日趨遇到重視，街道都已安置燈飾美化城市。所以，各廠商著重了設計應用優(yōu)勢。第三階段，LED燈具智能控制階段。跟著聯(lián)網(wǎng)等新技術的發(fā)展，LED作為半導體家產(chǎn)，也將搭上這趟高速列車，發(fā)揮出其高可控性特色。從家庭到辦公樓，從道路到地道，從汽車到步行，從協(xié)助照明到主照明，具備智能控制的LED照明燈具系統(tǒng)將給人類帶來更高