智能LED照明系统设计流程探讨

随着LED 技术、物联网技术及无线通信技术的发展，LED 照明颗粒以其无污染、寿命长、指向性好及便于运输等优点逐步发展到商业化阶段。由于我国LED 产业发展的不均衡以及部分相关工程人员LED 专业知识的欠缺，致使盲目使用LED 照明颗粒以及LED 照明系统设计的不合理现象的出现。从LED 照明颗粒原理及特点入手，结合工程实践经验讨论了LED 照明系统设计流程及注意事项，给出了解决相应问题的建议。

　　随着我国对于半导体照明技术的逐步重视，2003 年6 月国家半导体照明产业工程正式启动，2007 年12 月科技部和国家外国专家局联合批准了33 家单位建立国家级国际联合研究中心，中科院半导体所成为其中的“国家级半导体照明国际联合研究中心”。直至2008 年7 月，国家半导体照明工程协调领导小组第六次工作会议的圆满结束都说明了半导体照明技术的研究和应用对于进一步落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要》有着重大意义，同时也为照明技术的发展指明了方向。

　　2009 年10 月12 日，国家发改委、科技部、工业和信息化部等六部委联合制定《半导体照明节能产业发展意见》，提出“到2015 年，半导体照明节能产业产值年均增长率在30% 左右，产品市场占有率逐年提高，功能性照明达到20%左右，景观装饰等产品市场占有率达到70% 以上”等目标。特别是物联网技术、无线传感器网络技术及智能电网等综合感知节能减排控制系统应用实践，使得面向节能型的智能LED 照明控制系统应用于智能楼宇、智能电器及交通照明等领域。北京2008 年第29 届奥运会和2010年上海世博会对LED 产业的发展做出了完美的诠释，如图1、图2 所示。我国2008年LED 路灯数量为60 万盏，预计2011 年将快速增长至500 万盏，年复合增长率将达到102. 7%。预计至2013 年，中国LED照明市场应用于路灯的LED 市场规模年均复合增长率将达到38. 8%，用于景观照明的LED 市场规模年均复合增长率将达到21. 7%。

　　一、LED 照明颗粒原理及特点

　　LED 即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的核心结构是一个半导体的晶片，晶片的一端附在支架上，一端为负极，另一端连接电源的正极，并将整个晶片用环氧树脂（ 胶） 封装起来。

　　图3 LED 结构示意图

　　LED 结构如图3 所示，基本结构包括： 环氧树脂、晶片、金线、银胶及支架。环氧树脂的作用是保护LED 的内部结构，添加不同材料或塑造形状可改变LED 发光二极管的发光颜色、亮度及角度。晶片是LED 的主要组成材料，半导体晶片由两部分组成： 一部分是P 型半导体，在它里面空穴占主导地位； 另一部分是N 型半导体，在此处主要是电子。

　　当这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P － N 结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P 区，在P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，而光的波长也就是光的颜色是由形成“P － N 结”的材料决定的。LED 中金线用于连接晶片焊垫（ PAD） 与支架，并使其能够导通； 银胶起到固定晶片和导电作用； 支架是由支架素材经过电镀而形成。

　　LED 相对于白炽灯、荧光灯等传统光源的优势不仅体现在发光质量方面，在其生产、制造及易用性方面都大大得到改善。相对于老一代发光设备，LED 的特点主要体现在以下几个方面：

　　1） LED 为环氧树脂包裹结构，同时元器件封装体积一般较小，无需考虑将灯管内部空气抽取再注入惰性气体，因此在抗振动、抗冲击性方面具有良好的性能，为生产、运输及安装等各个环节提供便利。

　　2） LED 的光线能量集中度高，指向性好，集中在较小的波长窗口内，纯度高，亮度衰减比传统光源低很多。

　　3） LED 器件属于固体冷光源，由于环氧树脂封装使得灯体内部没有易于松动的结构，不存在灯丝发光易烧毁、热沉积等缺点，普遍使用寿命在5 万～ 10 万h 之间，即使频繁开关也不会影响到使用寿命。

　　4） LED 在生产过程中不添加“汞”，废弃物可回收，光谱中没有紫外线和红外线，热量低并且无频闪、无辐射，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

　　5） LED 响应时间非常快，在微秒级别。

　　6） LED 使用低压直流电源即可驱动，超低功耗（ 单管功率为0. 03 ～ 1 W） ，对使用环境要求较低。

　　7） LED 可利用红、绿及蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256 级灰度并任意混合，即可产生16 777 216 种颜色，形成不同光色的组合，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

二、LED 照明系统设计流程及注意事项

　　LED 照明系统设计的基本流程以及注意事项有以下几点。

　　（ 1） 结合应用环境确认照明需求

　　由于现存的大部分照明灯饰基本都属于传统光源的范畴，如果全部将其丢弃而搭建全新的LED 照明系统将会是极大的浪费，因此客观地分析现存灯饰的光学结构，结合LED 的照明特点以及实际应用成本考虑是否替换或改进。

　　部分传统光源采用经灯罩内部反射后再投射到路面的光学照明结构，这种结构源于传统光源属于全指向性光源，这样在其灯罩内部会造成不同程度的光学效率软降低，使用指向性较好的LED 光源就可以避免此类问题的发生。将反射体设计、光学透镜设计、高可靠的LED 电源设计及野外防雷电感应等关键环节纳入到照明需求论证方案中进行论证。

　　（ 2） 分析系统指标得出设计目标

　　在确认照明需求的前提下，计算总体光照需求以及配套设备（ 灯杆、灯头以及太阳能光伏系统等） 的功耗，根据分析所得的环境参数选择驱动、控制器件等级、壳体材料硬度以及柔韧度等参数。

　　由于我国已成为继美国之后的世界第二大电力消费大国，对于用电紧张的地区需要考虑是否引入太阳能光伏供电系统，对于太阳能板的安装角度问题可以采用通过多类型传感器融合数字信号跟踪算法、利用纬度大致估计倾斜度等方法，如下表所示。

　　表1 太阳能板安装倾斜度纬度对照表

　　（ 3） 参照元器件参数确定使用类型

　　结合元器件参数指标，选择不低于最低指标要求的电子元器件，由于LED 光学照明系统属于热量影响光输出的特殊系统，因此需要确认LED的驱动电流和结温，这个环节需要实际测量而不能完全依赖技术手册。

　　LED 照明测试参数一般包括光通量（ 单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明） ; 照明效率（ 单位是流明每瓦） ; 相关色度（ 与具有相同亮度刺激的颜色最相似的黑体辐射体的温度，单位是开氏度） ; 显色指数，白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。标准测试系统以8 种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下与在同色温的基准下此8 种标准色样的偏离程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20 ～ Ra100，以Ra100 为最高，平均色差越大，Ra 值越低。低于Ra20 的光源通常不适于一般用途。

　　由于LED 自身的特点，要有效控制LED 的工作电流，同时降低最高工作环境温度，否则将缩短LED 的使用寿命。

　　（ 4） 结合实际亮度计算LED 数量及组合方式

　　根据不同的驱动电路驱动负载能力和LED 实际流明量计算出需要的LED 数量。同时需要注意，驱动电路的电气损失会降低总体照明效果，同时将输入功率转化为热量，而且驱动器的效率会随负载变化而变化，因此不能随意改动设计方案的负载数量或连接方式。

　　在选取LED 颗粒时，由于各个厂家的制造工艺的差异致使各个LED 发光强度、驱动电流、承受最大电流以及发热程度有所差异，容易造成某个LED 的损坏而导致整个照明系统的寿命缩短，因此建议采用动态驱动电路控制LED 阵列，同时尽量采用同厂家同批次的LED 颗粒。

　　在使用阵列LED 时需要注意LED 的组合方式，常用的一般是平面阵列型和圆球阵列型，由于LED 集成在高密度区域，因此要考虑到散热问题的处理。

　　（ 5） 比较设计方案并权衡成本效益

　　由于LED 照明设计属于逐步成熟阶段，因此在设计时提出至少两套备用方案，根据实际环境测试情况选择适当方案，方案间的优势和劣势要有互补性。

　　在户外使用的灯具要考虑达到一定的防尘防水等级，同时考虑到散热性问题，建议采用导热板或将灯具外壳设计为类似散热器的机械结构。

　　另外，LED 户外照明系统光学特性直接影响其输出功率、配光曲线和光斑均匀性，在高质量应用方案的制定时需进行光学理论计算、计算机模拟及优化、光学元器件精密加工和模具制造等环节，最终形成具备较好的均匀度，无热点、眩光和光污染的光学系统。

　　这里需要注意重视照明成本。照明成本不仅涉及灯具的初始生产成本，还涉及灯具正常工作所需消耗能源的成本，当电灯无法正常工作时更换电灯所需的劳动成本。白炽灯的初始成本很低，但它们将电能转换成光能的效率比较低，而且容易烧坏。计算LED 的照明成本时一般都假定：

　　LED 灯的光输出降到一半时，LED 灯的使用寿命就终止，因此假定典型LED 灯的寿命是7. 5 万h而非10 万h，同时照明成本的计算参量成为生产资料成本、能源损耗成本、生产维护成本以及货币流通等资金价值的总和。

　　（ 6） 投入工程实践并反复论证改进

　　在工程实践阶段，对于PCB 板图设计要考虑到散热、防静电和成本问题。采取样机内部试验验证光学指标、高低温指标和电气系统指标后送交第三方（ 例如国家电光源质量监督检验中心、国家灯具质量检测中心等） 测试通过后再定型生产。

　　（ 7） 监督施工环节并定期维护检测在LED 照明系统工程安装过程中要注意

　　1） 电源配置。确认输入电源是直流还是交流、是否配置漏电保护装置和过载保护装置。

　　2） 防水结构。在户外使用的LED 照明系统特别要考虑这类问题。

　　3） 实时监测。安装前要检测产品是否破损。

　　4） 控制LED 数量。不允许随意串接数量。

　　5） 灯具打孔需要认真讨论。确保灯具防水、防尘和散热良好。

　　上述LED 照明系统设计的基本流程以及注意事项是以太阳能光伏LED 路灯为例，但可以将所述设计流程和注意事项应用于其他LED 照明系统设计之中。

　　结束语

　　LED 照明系统作为新型高效固态光源、半导体照明光源具有无污染、寿命长、指向性好及便于运输等优点，已经广泛应用于医院、商场、宾馆饭店及学校等场所的照明系统，伴随着智能电网、物联网技术及智能监测控制系统的照明应用展现出LED照明系统蓬勃的生命力和广阔的应用前景。

　　在设计、安装及使用的过程中结合文中所述LED 照明系统设计流程以及注意事项将会有助于完善LED 照明系统设计方案，提高LED 照明系统设计的安全性和可靠性，加速LED 照明系统的商业化进程。