LED照明的设计步骤与亮度的考虑

照明设计师可以原谅认为选择灯具的LED数量很简单，但情况并非如此。虽然制造商在给定的结温和正向电压/电流下为其器件提供准确的发光度数据，但任何给定应用中的实际输出都会受到许多其他因素的影响。

通过了解这些因素，设计人员可以在设计过程的每个阶段都做出深思熟虑的选择，以确保产品中使用的每个LED在光度，功效，寿命和成本之间实现最佳平衡。精心设计将优化给定规格所需的LED数量，从而降低产品的复杂性，尺寸和成本。本文将引导读者完成设计过程的主要步骤，并描述每种产品对最终产品性能的影响。

满足基准

LED照明产品分为两部分营地：改造，设计师面临的挑战是将LED的优势带到现有的外形尺寸，如流行的MR16，以及设计师获得免费的那些提出一个完整的灯具，如光引擎加夹具。第二种选择通常比改造产生更好的电气，光学和热性能，因为设计者不受现有夹具形状因子的限制。本文重点介绍此选项。

在大多数情况下，灯具设计用于替换现有照明或针对标准应用。每个案例都为设计人员提供了新产品电气和光学性能的基准，从而使设置发光度，功效（在本文中定义为光通量（lm）/电功率（W））和寿命变得更加容易。和成本设计目标。一旦确定了这些目标，设计人员就可以缩小他们选择（和数量）LED以及满足这些目标所需的相关LED驱动器的范围。 LED选择是一个关键的设计决策，因为它直接影响发光度，功耗，发热量，复杂性，尺寸和成本。

考虑两位设计师，负责开发一种额定输出为900流明的新灯具（与传统的白炽灯60 W灯泡相同）。在第一种情况下，爱丽丝选择了一款高端Cree冷白（5000 K）LED，以此作为产品的基础。 Cree是一家领先的LED制造商，其产品已在全球数百万应用中得到验证，因此这是一个明智的选择。 Cree X-Lamp®XQ-E的结温为25˚C，正向电压/电流为2.9 V和350 mA，可提供118流明（lm）的流明。

根据Cree的数据表，LED在此工作点的功效为116 lm/W.鲍勃采取了不同的方法，选择使用Lumileds的中功率LED，即冷白色（5000 K）Luxeon®3535L。虽然没有提供高功率LED的亮度，但这种中档设备的价格非常高，可以提供更多的lm/$。 Lumileds数据表显示，3535L在3.05 V和100 mA下输出42 lm，在此工作点的功效为138 lm/W.

虽然根据数据表中给出的标称输出确定提供900 lm输出所需的LED数量相对简单（在这种情况下，8个Cree LED和22个Lumileds设备），设计师需要在计算最终数量之前考虑其提出的产品的其他特性对输出的影响。

首先是夹具本身的设计。无论LED如何定位在装置中，一些光线在从灯具中逸出之前都会被吸收。也就是说，LED灯在这方面优于其他形式的照明，因为光通常直接从芯片的前部发射，限制了多少误入歧途。相比之下，紧凑型荧光灯泡在所有方向发光，包括直接回到灯具本身。 LED灯具可能会采用反射杯来减少吸收，但有些损失是不可避免的。

灯具的效率取决于光源的位置，灯具外壳的形状和灯具中使用的材料。效率可以表示为“利用系数”，并且是发射流明实际到达工作表面的百分比的度量。通常，对于精心设计的LED产品（即在所需方向上使用高反射率的反射杯），以及类似设计良好的CFL装置的50％至60％（图1），这一比例为75％至85％。

图1：与CFL等光源（右）相比，LED通常向前发光（左），提高了它们的利用率（图片提供） Cree）

一些LED灯具设计将使用二次光学器件，例如，修改光束图案或漫射光线以获得更微妙的照明效果。二次光学器件将再次吸收LED发射的一些光子，典型效率在85％至95％的范围内。为了便于讨论，我们假设Alice和Bob都做好了设计夹具的工作，各自产品的利用率系数为85％，二次光学系统的效率为95％。这为（85 x 95）/100 = 80.75％的设计提供了光学效率。

热管理

LED炽热，热量有三个主要影响：光度降低，功效恶化，寿命缩短（参见“了解高亮度LED褪色的原因”）。凭借良好的散热设计（请参阅库中有关此主题的大量文章，包括“LED热管理的基础知识”），应该可以将LED的结温限制在80˚到100˚C之间。这是一个很好的基准，因为高于此温度范围的操作会显着增加早期故障的风险。

许多制造商的“标题”亮度在25˚C时引用，因此有必要深入研究数据表检查升高的工作温度对光度的影响程度。假设Alice的设计在结温为90˚C时运行，Cree数据表显示，与25˚C相比，LED将产生80％的输出。同样，Lumileds 3535L LED的数据表显示，在55˚C时的发光度是25˚C时的亮度的88％（图2）。

< p>图2：Lumiled的LUXEON 3535L的相对亮度与结温的关系图表明，在55˚C时的发光度是25˚C时的88％。绿线对应Bob的选定LED。 （图片由Lumileds提供）

在使用制造商引用的正向（驱动）电压和电流数据时，需要采取类似的措施。亮度与正向电压/电流成正比，随着灯芯亮起趋于增加。因此，对于设计者来说，增加驱动电压/电流以最大化LED的发光度并因此减少给定输出所需的数量可能是诱人的。虽然这是一种可接受的策略（参见图书馆文章“最大化LED亮度以降低系统成本”）但它并非没有缺点。

首先，虽然它们发出更多光，但LED在更高的正向电压/电流下效率会降低。其次，更高的正向电压/电流产生更多的热量（如上所述）抵消了一些光度增益，同时缩短了LED的寿命。正向电压/电流的选择再次在输出，功效和寿命之间进行权衡。

在爱丽丝的情况下，产品规格要求低功耗和长寿命，因此她选择限制正向电压/电流以最大化功效并保持结温降低而牺牲光度。对于Alice来说，Cree LED最有效的工作点是2.85 V/300 mA，此时每个器件在数据表中引用的350 mA测试电流下产生85％的发光度。 （注意，当结温升高时，效率会降低。在这种情况下，Alice已经考虑到这一点，假设她的设计将在90° o C的结温下运行。）Bob的规范要求最大化发光度（在他指定的结温范围内）以牺牲功耗为代价，因此他选择以相对较高的正向电压/电流3.2 V/150 mA为其芯片供电。此时LED的发光度是100 mA测试电流下发光度的150％（图3）。 （另请参阅TechZone文章“优化LED性能”。）

图3：Lumiled的LUXEON 3535L相对于正向电流的相对亮度（蓝线）。为了获得最大亮度，Bob选择以相对较高的正向电压/电流3.2 V/150 mA为芯片供电，在100 mA的测试电流下LED亮度为其发光度的150％。

考虑到设备参数如何影响灯具的亮度，Alice和Bob现在可以计算出满足900 lm规格所需的LED数量。

最后一个要点是：制造商倾向于在数据表摘要中列出其设备的典型输出，但更重要的数字是最小亮度。通过设计到最小值，照明工程师确保使用带有订单代码的LED制造的所有灯具都符合规格。

Alice的Cree X-Lamp X-QE LED数据表注意到典型值为118 lm ，但最小值列为114 lm。同样，Bob的Lumileds 3535L LED的典型输出功率为42流明，但最低为36流明。

从每个LED的标称输出114 lm开始，Alice需要降低设备的亮度，以考虑所选的正向电压/电流（2.85 V/300 mA）（114 lm x 0.85 = 97 LM）。由于工作结温为90˚C（97 lm x 0.8 = 78 lm），需要进一步降额以补偿损耗。爱丽丝现在必须考虑到她的灯具81％的光学效率，这要求她需要在源头将输出提高到1115流明，以确保从产品中释放出900流明。因此，所需的LED数量为1115 lm/78 lm = 15.

Bob的类似计算为36 lm x 1.5 = 54 lm，然后54 lm x 0.88 = 48 lm，最终结果为1115 lm/48 lm = 24个LED。 （请注意，初始“粗略”计算表明分别需要8个和22个设备。）

考虑电效率

虽然不直接影响光度，但同样重要的是设计人员考虑了效率（定义为供电（W）所消耗的功率（W）/功率输出（W），所选电源的无量纲数字（以百分比表示）（特别是如同在Alice的情况下，灯具的关键设计参数是低功耗）。 LED的功效将决定电源输出每瓦特产生多少流明，但电源效率对灯具的整体功耗有很大贡献。

考虑德州仪器（TI）的LM3406HV，这是一种流行的开关电源，用于以恒定电流驱动高功率LED。该降压（“降压”）稳压器能够在6至75 V的输入电压下工作，并可驱动多达5个串联LED，最大输出电流为1.5 A.

LM3406HV的效率受两个关键特性的影响：串联的LED数量和输出电流。链中有一个LED，驱动器的效率为83％，为五个设备供电时上升到95％以上（图4）。

同样，峰值效率在750 mA（93％）的输出电流下发生，尽管在300 mA至1.5 A输出电流范围内它超过91％。如果Alice为她的灯具选择了三个LM3406，每个驱动五个Cree LED串联在她选择的2.85 mA/300 mA工作点，每组5个LED将消耗大约4.3 W（忽略非LED电压下降）。电源工作效率约为91％，总系统功耗约为（3 x 4.3 W）14 W，整体灯具效率为900 lm/14 W = 64 lm/W.

图4：TI LM3406 LED驱动器的效率随着串联LED的增加而增加。

结论

它可以是全部LED制造商的产品标题数据太容易被人们所接受。虽然通常是准确的，但这些数字通常受到营销部门的需求的影响，并且是在LED在理想条件下运行时得出的。这些条件很少考虑照明设计者通常操作的空间，热，电和成本限制。实验室中的LED与消费产品中的相同设备之间的亮度衰减可能会被标记。

然而，通过遵循一种考虑到光损失发生的简单方法对于灯具设计的物理方面及其操作特性，可以直接计算实际产品的发光度，以确保合并足够的LED，使产品符合其规格。好消息是，虽然计算所需的信息可能不会出现在数据表的第一页上，但有信誉的LED制造商确实在产品的详细描述中提供了这些信息。