解析LED照明设计知识

    1、LED器件光效ηL，单位lm/w

    LED器件光效是指在规定的结温(例如Tj=25℃)时，每瓦电功率转换成输出(可见光)辐射光能两者的比。可用下式表示LED光效： ηLED=Φ/w，单位：lm/w

    必要条件是Tj为规定值，在同样功率下，不同的Tj温度，LED输出的光通量Φ是不同的，随温度升高，Φ会下降。美国能源部西太平洋西北国家实验室给出白光功率LED PN结上温度Tj每升高1℃输出光通量下降0.25%。(以Tj=25℃时，Φ=100lm计，当Tj=80℃时，Φ=(1-13.75%)×100=86.25lm，下降约13.75%，可见大功率白光LED的光通温度系数：?Φ/?Tj≈-0.25(lm/℃))

    一般LED生产企业给出的器件光通量大多是Tj=25℃时的数值。给出的光效也同样如此。实际使用时，Tj一般不等于25℃。

    2、LED灯具的光效ηTub1(lm/w)

    LED灯具是指用LED作光源的照明灯具。任何灯具一般包含：光源(灯泡或模组);镇流器或驱动电源模组;光管配光透镜(或反射腔等);散热装置或灯外壳等四个部分组成，对于LED灯具，这四个部分除光源外均对灯具的光效有贡献，且都是负贡献!下面分别加以说明：

    (1)LED器件和光源模组光效ηLED

    ηLED一般以LED器件厂给出的光效为准，例如一个LED的光效在Tj=25℃时，假设为100lm/w，则若用100个这样的LED器件组成的光源模块的光通量根据光的叠加律可得为100lm/w×100=10000lm，但光效仍为100lm/w;但它并不等于灯具的光效。

    (这里假设100个100lm/w的光源加上100w电功率，它发出的总光通量应为10000lm)。

    (2)电源效率对灯具光效的影响(贡献)

    当供给LED光源模块上的电功率为100w时，由于驱动LED的开关电源或是AC/DC电流源等，自身要消耗电功率，也就是输入电功率较用于LED光源模块的电功率要高。它们两者的比值称为电源效率。假设此效率ηE=85%，则灯具输入电功率为：

    PIN=PLED/0.85=117.65w

    将此时的光效计入驱动电源转换效率时，光效从100lm/w下降为10000lm/117.65w≈85lm/w。下降：15%，这下降是电源驱动电路作的负贡献。

    (3)二次配光光学效率ηLight 的影响

    一般的照明灯具，特别是LED这类窄光束光源，需要二次光学设计，以达到所需求的光分配的配光要求。例如LED射灯要求截光型蝙蝠翼型配光，通常在每个LED上加置椭圆形透镜，这样就会带来因透镜损失光能，于是就有一灯具的光学效率ηLight的问题，通常光学级透镜的透光率不超过0.9，即ηLight≈0.9.

    也就是说一个不加透镜的10000lm的光源，加透镜后就成为输出9000lm的光源，损失约10%的光能，此时，光源电源、二次光学透镜二个组成部分的光效为η(3)=0.85×0.9=0.765

    也就是说100lm/w的光源，现在仅为76.5lm/w。二者负贡献达：23.5%。

    (4)热效率ηth

    不仅电源效率，光学透镜效率的负贡献，LED灯具还有对LED光源不可或缺的热管理的效率，也就是散热器效率，通常LED灯具将PCB板、灯壳均用来作散热通道，实现热失散，对灯具有一系统热阻的设计问题。也就是好的散热系统，LED PN结上温度Tj与灯具环境温度Ta之间的温度梯度越小越好。灯具的系统热阻定义为：灯具外壳(或内部)平均温度与环境温度差与灯具功率之比。可表示为：Rthsystem=(Tscase-Ta)/Pin (单位：℃/w)

    假设LED的热阻为8℃/w，则一个LED上加1w电功率后，LED PN结上的温度Tj与LED底座散热底板之间温差为8℃，而LED基板与PCB(一般是铝PCB板)间热阻一般小于1.2℃/w，则Tj与PCB板之间温差为8℃+1.2℃=9.2℃，若灯光也为散热材料压铸(如铝合金)，则铝合金的热阻一般仅0.2℃/w，为此灯壳到LED PN结的温差约为：(8+1.2+0.2)℃=9.4℃

    现在的问题是灯壳Tscase与灯周边环境温度Ta的温度差多少度?这就由灯具的系统热阻决定。假定用于热失散的灯壳接触环境空间的面积为A，此面积的大小决定两者的温差，仅当A→∞时，灯壳面积与环境等温，但这是做不到的。韩国三星LED电子等公司，对他们的不同功率的LED器件，作光源时，给出散热器面积与Tj的关系曲线，例如对一个3.5w功率的LED，要使Tj从100℃下降到80℃，散热器与空气接触面积要增加60cm2以上，由此可估算得，每增加60cm2/3.5w≈17cm2/w，就是说一个1w电功率的LED若用60cm2以上散热器时其结温将下降20℃。或者用灯具系统热阻Rthsystem来表示时，本例117.65w总功率按每w17.2cm2计，灯具散热器与空气接触面的面积大于等于17.2cm2/w×117.65w=2024cm2(约0.2m2)时，灯壳与环境温差20℃。灯具系统热阻Rthsystem即为：Rthsystem≈20℃/117.65w≈0.17℃/w 于是在对灯具施加电功率为117.65w时，在Ta=25℃时，灯壳上的温度应为： Tcase=Ta+Rthsystem×Pin

    =25℃+0.17℃/w×117.65w

    =45℃

    此时，从前面分析知LED PN结上温度Tj可从下式求得： Tj=Tcase+1w×(8℃/w+1.2℃/w+0.2℃/w)

    =45℃+9.4℃=54.4℃

    与Tj=25℃相比，PN结温度高了19.4℃，也就是一个100lm的LED此时光通量

    较Tj=25℃时的光通量要低：

    0.25lm/℃×19.4℃=4.85lm

    100个LED的光源模组比Tj=25℃低485lm

    由此也可求出灯具的热效率ηth ηth=[1-485/10000]=95.15%≈0.95

    于是灯具的光效计入各个效率后，可表为： ηTub1=ηE·ηLight·ηth=0.85×0.9×0.95

    ≈0.726

    此时灯具的光效为：72.6lm/w。仅为LED的光效的72.6%，而且也要设计正确才达到。

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