LED路燈的技術(shù)要點(diǎn)分析

十城萬(wàn)盞”是我國(guó)高科技產(chǎn)業(yè)以應(yīng)用促發(fā)展的示范工程，其目的旨在通過(guò)選擇一批基礎(chǔ)良好的城市，采取國(guó)家、地方、企業(yè)共同投入的模式，率先開(kāi)展LED市政照明的應(yīng)用試點(diǎn)，為我國(guó)全面推廣半導(dǎo)體照明摸索經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)應(yīng)用提升產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新水平，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。
本文選擇了示范項(xiàng)目較多的路燈、隧道燈以及對(duì)產(chǎn)品影響較大的驅(qū)動(dòng)電源3個(gè)方面分析其技術(shù)進(jìn)展，為“十城萬(wàn)盞”的順利實(shí)施提供參考。
目前，用于道路照明的傳統(tǒng)光源主要是高壓鈉燈， LED路燈主要在一些支干道上進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，但兩者已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)劣差異。在光效方面，高壓鈉燈最高可達(dá)140 lm/W，比目前商用大功率LED的光效100 lm/W高，但LED的顯色指數(shù)（約80）要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)高壓鈉燈（約25），且在相同照度下，白光LED更有助于司機(jī)或行人識(shí)別目標(biāo)，其道路照明效果和舒適度要遠(yuǎn)高于高壓鈉燈。在燈具效率方面，高壓鈉燈采用球面發(fā)光設(shè)計(jì)，綜合考慮反射器效率，高壓鈉燈的燈具效率一般僅有70%。但LED是定向出光，如采用恰當(dāng)?shù)呐涔庠O(shè)計(jì)，大部分光線會(huì)直接投射到路面，燈具效率能達(dá)85%以上。
所以，僅從光效和燈具效率來(lái)看，就可見(jiàn)LED路燈取代傳統(tǒng)路燈光源的巨大潛力。為此，本文將從中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心在LED照明應(yīng)用的研發(fā)過(guò)程中對(duì)配光、電源和散熱等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)所取得的研究成果來(lái)重點(diǎn)闡述“十城萬(wàn)盞”示范應(yīng)用工程關(guān)系密切的“LED路燈”的技術(shù)路線和技術(shù)支撐。
配光
通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)獲得蝙蝠翼型光強(qiáng)分布
目前市場(chǎng)上的LED路燈，其光源部分主要分兩種方式：?jiǎn)晤w1 W大功率白光LED陣列和大功率集成封裝光源模組。盡管LED路燈的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有出臺(tái)，但LED路燈的配光在參考傳統(tǒng)光源道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：合適的平均路面亮度；高的總照度均勻度和縱向照度均勻度；合適的環(huán)境比；眩光控制等。
從配光曲線上看，要實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)主要是通過(guò)合適的光學(xué)設(shè)計(jì)以獲得蝙蝠翼型光強(qiáng)分布，從而在路面上獲得矩形的光斑分布。但是普通大功率白光LED的封裝透鏡（即一次光學(xué)透鏡）不適合直接應(yīng)用于LED路燈上，所以在每一個(gè)大功率白光LED的一次光學(xué)透鏡上還要添加二次光學(xué)透鏡，目前“花生米”型的二次光學(xué)透鏡能達(dá)到較好的效果。
中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思路是不采用單獨(dú)的二次光學(xué)透鏡，而是在一次封裝的LED的發(fā)光光源外直接設(shè)計(jì)波浪形光學(xué)透鏡面罩，利用透鏡面罩來(lái)達(dá)到整個(gè)LED路燈發(fā)光光源的二次光學(xué)透鏡的功能。
隨著封裝產(chǎn)業(yè)向下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的需求靠攏，中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心還開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)特殊形狀的一次光學(xué)透鏡，在LED芯片封裝時(shí)直接安裝，具有體積小、成本低的特點(diǎn)，完全符合LED路燈和道路照明要求。
隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，白光LED的封裝方式由單顆1W大功率LED器件逐漸轉(zhuǎn)向大功率集成封裝光源模組。目前的大功率集成封裝光源模組的功率最高可達(dá) 100W以上，但這類光源由于發(fā)光面積較大，為光學(xué)配光設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。
中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開(kāi)發(fā)的紅光增強(qiáng)的大功率白光LED智能控制系統(tǒng)技術(shù)，可以獲得顯色指數(shù)90以上，相關(guān)色溫2500~8000K可調(diào)的光源模組。該技術(shù)利用在封裝基板上集成光電轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)監(jiān)控光源模組的白光色度學(xué)參數(shù)，光電轉(zhuǎn)換芯片將探測(cè)到的白光色度學(xué)參數(shù)的變化反饋給智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算后保證燈具能輸出最優(yōu)色度學(xué)性能的白光，可以保證光源模組輸出保持設(shè)定的相關(guān)色溫范圍和顯色指數(shù)；封裝基板上還集成了溫度傳感芯片來(lái)實(shí)時(shí)探測(cè)封裝基板的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED芯片結(jié)溫的間接監(jiān)控，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)散熱系統(tǒng)的散熱途徑或降低LED的功率。該光源模組可以由單顆1 W大功率白光LED陣列的方式或大功率集成封裝光源模組的方式組成，已經(jīng)運(yùn)用在LED路燈上。
電源
加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電源可靠性設(shè)計(jì) 匹配LED壽命
目前主流的LED路燈采用交流電供電，交流電LED路燈存在一個(gè)共性問(wèn)題，就是難以保證驅(qū)動(dòng)電源壽命與LED的壽命相匹配。因?yàn)榻涣麟姳仨毥?jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源的整流濾波才能變成直流電，而開(kāi)關(guān)電源中必須采用電解電容來(lái)濾波。一般的電解電容壽命只有8000小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LED的理論壽命50000小時(shí)。而且環(huán)境溫度每升高10℃，電解電容的壽命就降低一半，使得整個(gè)LED路燈系統(tǒng)的壽命必然會(huì)受到電解電容的拖累。因此，制約LED路燈壽命的一個(gè)重要因素就是驅(qū)動(dòng)電源的可靠性設(shè)計(jì)。LED路燈在室外環(huán)境下保證電源的可靠工作，一般需要從高效率、高功率 、長(zhǎng)壽命、過(guò)壓過(guò)流、隔離、浪涌、過(guò)溫、防護(hù)方面、符合安規(guī)和電磁兼容的要求等幾方面進(jìn)行考慮。
對(duì)于大功率LED路燈，無(wú)論其光源部分采用單顆1 W大功率白光LED陣列方式或大功率集成封裝光源模組方式，其主流的電源驅(qū)動(dòng)方式是采取恒流驅(qū)動(dòng)。一般通行的電路結(jié)構(gòu)又由一個(gè)恒壓源提供若干個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)一路串聯(lián)的LED和市電直接轉(zhuǎn)為恒流，LED以串并聯(lián)組合的方式運(yùn)行兩種。
對(duì)于采用單顆1 W大功率白光LED陣列的這種方式，恒壓源為傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源架構(gòu)相對(duì)成熟；而相配的恒流源部分為直流降壓型，效率能達(dá)到95%以上，另外所占的電路空間較小，既可以與恒壓源部分組合在一塊，也可以與LED集成在一起，具有較大的靈活性，每一路LED電流可獨(dú)立控制，保證燈具整體發(fā)光一致，但是成本會(huì)稍高一點(diǎn)。
對(duì)于大功率集成封裝光源模組方式，又分為隔離型和非隔離型兩類，前者成本以及效率方面有優(yōu)勢(shì)，但由于是非隔離的，供電不穩(wěn)，尤其是晚上電壓較高或雷雨時(shí)產(chǎn)生的浪涌，容易造成LED光源連同電源一起損壞。而后者雖然效率較低，電路復(fù)雜度較高，但可靠性得到保證。無(wú)論是隔離型還是非隔離型的交流-直流恒流源，由于路燈上的LED數(shù)目由幾十到上百個(gè)，所以后端LED要考慮串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合，于是不可避免地使得并聯(lián)各路電流不一致。目前，這兩種方式的電源并存。多路恒流輸出的方式，在性能以及可靠性方面較好，將會(huì)是以后LED路燈電源驅(qū)動(dòng)主流發(fā)展方向。