浅析LED光学设计的一些基础要点

 

　　LED是点光源，不同于目前市场上的节能灯或白炽灯。点光源顾名思义也就是一个点发出的光亮，而这个点发出光还同时具有另一个重要特征，那就是只有一方向上有光（所有传统的背面反光罩对于LED本身来说是没有任何意义的）。如果我们想要用这种特殊的光来做照明使用，就必须对这个光进行一定的处理，才可以达到我们的要求和目的，所以我们要加上光学设计，把这个相对集中的点光源变成具有一定角度的散光，这也就是大家所熟悉的草帽LED，草帽LED是专业用于照明设计的一种封装形式，一方面它可以让光线从一个集中的点光源变成具有一定角度的散光源，另一方面，它具有更少的光衰效果，而让更多的光透射出来为我们所用。

　　虽然草帽LED在光学角度上有了质的飞跃，但相对我们所熟悉的面光源来讲，它依旧是一个点光源，因其亮度过于集中，如果人眼直接看向光源，还是会对我们的眼睛造成一定的伤害。所以在LED照明应用于家庭照明灯中，我们还要进一步进其光线进行处理，再增加一定的光学设计，而达到人眼可以直接观测的目的，同时柔和光线，另一方面还要再次放大其照射角度，虽然草帽LED本身已经做到120度范围，但如果直接应用于家庭照明，给我们的感觉是屋顶上表现出来是一片漆黑，我们要利用灯具最外面的透明罩把光线再次分散开来，从而适应正常的家庭照明。

　　大功率与小功率LED的区别

　　随着LED技术的不断发展，人们为适应大面积照明而研发出功率越来越大的单颗LED芯片，目前全球最前沿已经可以做到单颗LED功率为200W以上，虽然功率可以做到很大，但其性价比并不佳。下面以我们以常见的几种LED为例做一个分析。

　　目前业内大量使用的都是单颗0.06W功率，其亮度最大可以做到7LM，我们暂按普通的做到6LM计算，如果要让功率达到1W，我们需要用17个同样的LED，其总亮度为17*6=102LM，也就是说可以做到100LM/W，如果我们采用单颗芯片为1W的功率，其输出的亮度最高做到80LM，常用的一般在60LM左右，这是亮度上的一个主要区别，由此可见，对于家庭使用来讲，我们还是要选择小功率的LED比较合适。

　　从产品成本角度讲，大功率的LED成本要高于小功率的成本，这来自于两个方面，一是LED本身的造价，二是大功率的LED要加铝散热片，小功率只要用普通电路板，加上自然散热就可以达到要求。

　　从产品日后维护成本来看，如果我们的灯具在使用中出现故障，可以找任何一家电器修理店去更换损坏的LED，一颗0.06W的LED成本最多1元钱，加上维修费也不超过5元，如果是更换1颗1W的LED，LED成本就要8元，加上维修费用就要15元左右。而相对来讲，小功率的LED市场上随便一个电子市场都可以采购到，大功率的则不一定哪里都可以买到。

　　LED走向大功率是一个市场趋势，也是未来发展的主流，但目前由于技术上还未能达到我们所期望的结果，从技术角度讲，目前还不太适合用于家庭照明。

　　散热设计的重要性

　　LED本身是半导体器件，所有半导体器件正常工作都有一定的温度要求，包括环境温度和工作温度。一般半导体器件正常工作的环境温度都要低于80度，当LED内部的PN结温度到达140度的时候，就会失效。正常工作时其自身的温度会通过引脚或专用底座散发出来，进而再通过连接在引脚上的电路板或铝基板向四周的空气中散发出去，以保证LED的正常工作。一般来讲单颗功率大于0.2W以上，都要采用铝基板做散热，再大功率还要增加铝壳和铝散热片。当然这与整个灯内LED的数量和密度有关，过于集中的小功率LED同样要考虑散热设计。这如同于各位身边的每一件电子产品，如：电视机、显示器、计算机主机等。不正确的散热设计会直接导致LED寿命缩短和加快光衰速度。

　　1.现在大部分的结温上限都能做到120度左右，目前cree的应该算是较高的，为150度。

　　2.灯珠热阻根据封装材料结构不同而不同，有些多芯片的高达几十，单芯片的一般都是个位数，顶多十几，当然这直接关系到结温，算是关系到LED寿命，光效等的重要参数了。

　　3.目前大部分LED灯具设计寿命都是20000~50000H，这由许多因素决定，首先IC等的寿命就限制了整灯的寿命。

　　4.结构布局上从散热方面来说其实就是接触热阻与导热瓶颈的问题，这涉及较多，不好列出。总的来说就是结构一体，大面积良好接触。PCB上面灯珠尽量平均分布就是了，避免热源集中。

　　5.驱动效率当然越高越好，布局上尽量原理最大热源，也就是LED灯珠。可采用灌胶等方式，达到散热固定绝缘的效果。

　　综合考虑：良好的散热设计温升最好控制在35以下。结温80以下。理论寿命50000以上。

　　目前的散热设计难题

　　1.自然散热受空间限制太大（辐射散热本身影响较小，且受空间尺寸限制）。

　　2.自然散热面积改善空间有限（对流散热有限）。

　　3.目前都采用金属部件做散热器，较小空间内热传导已经足够。（散热器温差较小，导热系数影响较小）。

　　4.大部分的散热设计都只能集中在灯珠选择，散热面积，界面接触热阻，辐射散热上面。几乎穷途末路。

　　5.目前状况，散热设计的突破点在灯具系统的散热设计，是一个实际生产制造，材料配件，结构造型与散热设计各种经验相结合的成果。