1 引言
LED照明市場(chǎng)商機(jī)為業(yè)界帶來無窮想象空間,，LED照明應(yīng)用已經(jīng)從過去室外LED跳向室內(nèi)照明" title="室內(nèi)照明">室內(nèi)照明應(yīng)用。根據(jù)Strategies Unlimited統(tǒng)計(jì),，未來五年內(nèi)LED室內(nèi)照明的發(fā)展將有指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì),。按照估計(jì),，至2011年，其產(chǎn)值將高達(dá)數(shù)百億美元,。尤其是2009年歐盟率先實(shí)施禁用白熾燈計(jì)劃,，以及節(jié)能議題備受關(guān)注，造就了LED室內(nèi)照明巨大的市場(chǎng)機(jī)遇和樂觀的前景,。下文從散熱技術(shù),、光學(xué)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)等燈具技術(shù)的需求,，分析高功率" title="功率">功率LED 在室內(nèi)照明領(lǐng)域中的發(fā)展,。
高功率LED照明的發(fā)展高功率LED照明的發(fā)展取決于兩大元素：一是芯片本身；二是燈具技術(shù),，包含散熱,、光學(xué)、驅(qū)動(dòng),。
2 芯片支持
目前,，LED 芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵在于基底材料和外延生長(zhǎng)技術(shù)?；撞牧嫌蓚鹘y(tǒng)的藍(lán)寶石材料,、硅和碳化硅，發(fā)展到氧化鋅,、氮化鎵等新材料,。無論是面向重點(diǎn)照明和整體照明的高功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡(jiǎn)單的輔助照明的低功率芯片,，技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵都關(guān)乎如何開發(fā)出更高效,、更穩(wěn)定的芯片。在短短數(shù)年內(nèi),，借助于包括芯片結(jié)構(gòu),、表面粗化處理和多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在內(nèi)的一系列技術(shù)改進(jìn)，LED 在光效方面實(shí)現(xiàn)了巨大突破,。圖1是LED 芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展示意圖,。隨著生產(chǎn)技術(shù)的逐漸成熟，LED 量子效率將進(jìn)一步提高,，LED 芯片的光效也將隨之增強(qiáng),。
薄膜芯片技術(shù)是超亮 LED 芯片生產(chǎn)中的核心技術(shù)，能夠減少各側(cè)面的光輸出損耗,，并能借助底部的反射面使 97% 以上的光線從正面輸出（見圖 2）,。這不僅顯著提高LED 的光效，還為透鏡設(shè)計(jì)創(chuàng)造了優(yōu)越的便利條件,。
3 燈具技術(shù)的需求
3.1 散熱技術(shù)
大眾一直關(guān)注燈具的使用壽命,。若僅僅依靠使用低熱阻的 LED 元件是未能為燈具裝置構(gòu)建良好的散熱系統(tǒng),，而必須有效地減小從 PN 節(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的熱阻，才能大大降低 LED 的 PN 節(jié)點(diǎn)溫度,，而成功實(shí)踐延長(zhǎng) LED 燈具的使用壽命并提高實(shí)際光通量的目標(biāo),。有別于一般傳統(tǒng)燈具，印刷電路板既是 LED 的供電載體,，也是 LED 的散熱載體,，所以散熱片和印刷電路板的散熱設(shè)計(jì)十分重要。除此之外,，燈具制造商還須考慮散熱材料的質(zhì)量,、厚度和尺寸以及散熱界面的處理和連接等因素。
3.2 光學(xué)設(shè)計(jì)
與傳統(tǒng)燈具比較,，定向性和點(diǎn)光源是 LED 最典型的兩大特點(diǎn),，而如何善用 LED 的這兩大特點(diǎn)便是燈具光學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處。
透過 LED 的二元光學(xué)設(shè)計(jì),，LED 燈具能夠達(dá)到更好的配光曲線,。例如，在室內(nèi)照明應(yīng)用中燈具的光線需要十分明亮,，則可使用高透光率燈罩提高光提取效率,。或是將導(dǎo)光板技術(shù)應(yīng)用到燈具中,，從而將 LED 點(diǎn)光源更改為面光源,，不但能提高燈具的配光均勻度，還可以防止眩光,。另外,，在一些輔助照明和重點(diǎn)照明應(yīng)用中，為了突出要照亮的物體而需要特定的聚光效果,，在這種情況下,，可配合一些聚光透鏡或反射器使用，以達(dá)到理想的光學(xué)效果,。
3.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
必須確保 LED 驅(qū)動(dòng)電流為恒流輸出,。當(dāng) LED 在正向電流下工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓的相對(duì)變化非常小,。因此,，確保恒定的 LED 驅(qū)動(dòng)電流，基本上等于確保恒定的 LED 輸出電流,。此外,，燈光控制設(shè)計(jì)是現(xiàn)今主流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)之一，多用于氛圍照明應(yīng)用中，可根據(jù)不同的環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同的亮度級(jí)別,，還能完全實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo),。目前，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)側(cè)重于提高功率因數(shù),、降低驅(qū)動(dòng)功耗,、優(yōu)化控制精度和加快響應(yīng)速度。在設(shè)計(jì)過程中,，電源的設(shè)計(jì),、印刷電路板的布局和串并聯(lián)方式都是必須考慮的因素。
4 高功率LED照明的技術(shù)挑戰(zhàn)
即使 LED 在室內(nèi)重點(diǎn)照明和裝飾照明應(yīng)用中已有令人滿意的表現(xiàn),，但是在普通照明和氛圍照明應(yīng)用中仍然面臨許多挑戰(zhàn),，包括初置成本、色溫較低時(shí)的光效,、顯色指數(shù)和系統(tǒng)可靠性等,。
4.1 進(jìn)一步降低初置成本
成本是室內(nèi)照明中相對(duì)比較敏感的因素，特別是在家居照明應(yīng)用中,。盡管 LED 燈型號(hào)越來越多，光效也在不斷提高,，但是價(jià)格高這個(gè)問題仍然存在,。但是當(dāng)LED光源價(jià)格降低，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化,，總成本就必然下降,。回想緊湊型節(jié)能日光燈首次投放市場(chǎng)時(shí),，成本約為 15 美元,，如今已降至 1.50 美元以下。因此,，可以推斷,，隨著市場(chǎng)的不斷發(fā)展，LED 燈的價(jià)格很快便能到大眾可以接受的程度,。
4.2 提高低色溫時(shí)的光效
4,000K 以下的低色溫通常是室內(nèi)家居照明的首選,。暖白光令整個(gè)環(huán)境更加溫暖和放松；而冷白光則給人潔凈,、高效,、明亮的感覺，較適用于辦公室和室外照明,。因?yàn)闊晒夥鄣脑?，低色溫時(shí) LED 的光效通常會(huì)比高色溫時(shí)低大約 30% 。
4.3 管理光效和顯色指數(shù)
在一般情況下，LED 的光效越高,，顯色指數(shù)越低,。室內(nèi)照明通常要求 LED 具有更高的顯色指數(shù)，才能客觀顯示物體的亮度和顏色及達(dá)到肉眼直接觀察外部景觀時(shí)的真實(shí)效果,。為此,，提高 LED 光效的同時(shí)，還需要進(jìn)一步提高顯色指數(shù),。另一種方法則是在燈具表面添加一些紅光,，從而達(dá)到顯色指數(shù)超過 90 的效果。
4.4 提升高電流驅(qū)動(dòng)期間的效率
現(xiàn)時(shí),，通?？梢詫?1W LED 的電流從 350mA 加大到 1,000mA。然而,，在高電流驅(qū)動(dòng)下,，即使光通量增加，整體效能通常也會(huì)相對(duì)顯著下降,。因此,，必須平衡系統(tǒng)總成本和光效。如果可以在高電流驅(qū)動(dòng)下提高 LED 的光效,，則只要確保提供更高的系統(tǒng)光效,，就可以大大減少所需的 LED 數(shù)量，從而大幅減低成本,。
4.5 進(jìn)一步縮小 LED 的封裝尺寸
除了環(huán)保,、節(jié)能、無公害外,，室內(nèi)LED還具藝術(shù)性,、尺寸小和能彰顯個(gè)性這些特點(diǎn)。而通過進(jìn)一步縮小 LED 封裝尺寸,，可以令燈具設(shè)計(jì)更具靈活性和創(chuàng)新空間,。對(duì)于需要用混合照明以提高顯色性的應(yīng)用場(chǎng)合，較小的封裝尺寸非常有助于實(shí)現(xiàn)混合光透鏡和混合光效設(shè)計(jì),。
4.6 延長(zhǎng)使用壽命,、提高系統(tǒng)可靠性
在一般照明應(yīng)用中，LED 的整體效率,、使用壽命和可靠性必須通過系統(tǒng)優(yōu)化才能得以提升,。傳統(tǒng)燈具的系統(tǒng)組裝比較簡(jiǎn)單，而 LED 照明系統(tǒng)則涉及多個(gè)元件,，如圖 3 所示,。
LED 光源：緊湊、高效，有多種顏色和輸出功率可供選擇,。
電源轉(zhuǎn)換：將交流電,、電池和其他電源高效轉(zhuǎn)換為安全的低電壓、恒流電源,。
控制和驅(qū)動(dòng)：使用電子電路實(shí)現(xiàn) LED 的恒流驅(qū)動(dòng)和控制,。
熱管理：若要達(dá)到更長(zhǎng)的使用壽命，控制 LED 節(jié)點(diǎn)溫度顯得十分重要,，散熱分析也不可或缺,。
光學(xué)元件：透鏡、反射器或?qū)Ч獍宀牧鲜菍⒐饩€聚焦在目標(biāo)區(qū)域必需的光學(xué)元件,。
5 應(yīng)用于室內(nèi)照明的LED光源介紹
如前文所言,，小巧、高效都是選擇LED作光源的重要考慮因素,。OSLON SSL LED 是歐司朗光電半導(dǎo)體的最新產(chǎn)品,，其功率約為1W。如圖 4 所示,，該款 LED 主要設(shè)計(jì)用于普通室內(nèi)照明,，外形小巧，封裝尺寸僅為 3mm x 3mm,，而且性能穩(wěn)定,、可靠，發(fā)光效率卓越,，最大光效超過 100lm/w。即使在高電流下,，它也能維持卓越的發(fā)光效率,，進(jìn)而有效降低燈具的整體成本。且具有極高的可靠性和 80°的光束角,，所以能夠順利地將光線投射到外部透鏡上,。該款 LED 還是室內(nèi)照明的聚光燈、臺(tái)燈和天花板泛光燈的理想光源,。
由于這款 LED 能夠有效處理高電流,，因此可以助消費(fèi)者創(chuàng)建極其節(jié)能和節(jié)約成本的照明解決方案。就這點(diǎn)而言,，OSLON SSL LED 具備成為未來“綠色”光源的所有特性,。該款 LED 的熱阻低至 7K/W，散熱管理更加簡(jiǎn)單,，其小巧的外形更是使設(shè)計(jì)師可以更靈活地創(chuàng)建復(fù)雜精致的照明解決方案,。如果需要等別強(qiáng)的光線，則可以與一些燈具搭配使用。除了超白光（色溫為 5,700 ～ 6,500K）版本,，還有中白光和暖白光（色溫為 2,700 ～ 4,500K）版本,。
OSLON SSL LED 采用最新的芯片技術(shù)制造而成，確保了極高的光效,。OSLON SSL LED 的主要參數(shù)如表1 所示,。目前，當(dāng)工作電流為 350mA 時(shí),，光源的超白光（色溫為 5,700K 和 6,500K）典型亮度高達(dá) 110lm,，光通量最大達(dá)到 130lm。當(dāng)工作電流為 350mA且色溫為 3,000K 時(shí),，其典型光效可達(dá) 75lm/W,，亮度則達(dá) 85lm。當(dāng)工作電流為 700mA（暖白光）時(shí),，亮度高達(dá) 155lm,，即可降低單位流明成本的，亦能維持極高的光效,，即使少量 LED 亦可實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)的照明,。
例如，只需要七顆 OSLON SSL LED,，即可設(shè)計(jì)出一盞約 15W 的 LED 聚光燈（見圖 5）,。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為 700mA 時(shí)，LED 燈的亮度可達(dá)近 1,400lm,，而且尺寸非常小巧,。有賴它的 80° 光束角，搭載反射器或透鏡時(shí),，光效仍非常高,。即使將散熱和光損耗考慮在內(nèi)，燈具的最終光通量也可超過 1,000lm,。此外,，當(dāng)需要不同的色溫或顯色指數(shù)時(shí)，這七顆 LED 中只有少數(shù)須更換為暖白光或其他單色 OSLON SSL LED,。這樣,，既可獲得任何色溫或更高的顯色性，也大大增加 LED 燈的設(shè)計(jì)靈活度,。
6 結(jié)語(yǔ)
隨著LED 技術(shù)的快速發(fā)展以及LED光效的逐步提高,，LED 的應(yīng)用將越來越廣泛。特別是隨著全球性能源短缺問題的日益嚴(yán)重,，人們?cè)絹碓疥P(guān)注 LED 在照明市場(chǎng)的發(fā)展前景,，LED 將是取代白熾燈,、鎢絲燈和熒光燈的潛力光源。此外,，在室內(nèi)燈具設(shè)計(jì)方面,，LED 將趨向節(jié)能化、人性化和藝術(shù)化,。而OSLON SSL LED 符合室內(nèi)照明應(yīng)用的各種要求：它不僅封裝尺寸小至3mm x 3mm,，而且性能穩(wěn)定可靠；它的最大光效超過100lm/w,，即使在高電流下也能保持卓越的光效,，進(jìn)而有效降低燈具的整體成本；此外,，因?yàn)槠?0°光束角,，所以能夠順利地將光線投射到外部透鏡或反射器上?？傊?，OSLON SSL LED 是室內(nèi)燈具的理想光源。