高功率LED室内照明的灯具技术解析

　　LED照明市场商机为业界带来无穷想象空间，LED照明应用已经从过去室外LED跳向室内照明应用。根据Strategies Unlimited统计，未来五年内LED室内照明的发展将有指数型增长趋势。按照估计，至2011年，其产值将高达数百亿美元。尤其是2009年欧盟率先实施禁用白炽灯计划，以及节能议题备受关注，造就了LED室内照明巨大的市场机遇和乐观的前景。下文从散热技术、光学设计和驱动设计等灯具技术的需求，分析高功率LED 在室内照明领域中的发展。

　　高功率LED照明的发展

　　高功率LED照明的发展取决于两大元素：一是芯片本身；二是灯具技术，包含散热、光学、驱动。而外在环境还需要量看国家以及国际对LED产品的标准制定。

　　一、芯片的发展

　　目前，LED 芯片技术发展的关键在于基底材料和外延生长技术。基底材料由传统的蓝宝石材料、硅和碳化硅，发展到氧化锌、氮化镓等新材料。无论是面向重点照明和整体照明的高功率芯片，还是用于装饰照明和一些简单的辅助照明的低功率芯片，技术升级的关键都关乎如何开发出更高效、更稳定的芯片。在短短数年内，借助于包括芯片结构、表面粗化处理和多量子阱结构设计在内的一系列技术改进，LED 在光效方面实现了巨大突破。图1是LED 芯片结构的发展示意图。随着生产技术的逐渐成熟，LED 量子效率将进一步提高，LED 芯片的光效也将随之增强。

　　图1：LED 芯片结构的发展历程

　　薄膜芯片技术是超亮 LED 芯片生产中的核心技术，能够减少各侧面的光输出损耗，并能借助底部的反射面使 97% 以上的光线从正面输出（见图 2）。这不仅显着提高LED 的光效，还为透镜设计创造了优越的便利条件。

　　图2：正面光输出—— 普通LED与薄膜技术LED 的对比

　　二、灯具技术的需求

　　1．散热技术

　　大众一直关注灯具的使用寿命。若仅仅依靠使用低热阻的 LED 元件是未能为灯具装置构建良好的散热系统，而必须有效地减小从 PN 节点到周围环境的热阻，才能大大降低 LED 的 PN 节点温度，而成功实践延长 LED 灯具的使用寿命并提高实际光通量的目标。有别于一般传统灯具，印刷电路板既是 LED 的供电载体，也是 LED 的散热载体，所以散热片和印刷电路板的散热设计十分重要。除此之外，灯具制造商还须考虑散热材料的质量、厚度和尺寸以及散热界面的处理和连接等因素。

　　2．光学设计

　　与传统灯具比较，定向性和点光源是 LED 最典型的两大特点，而如何善用 LED 的这两大特点便是灯具光学设计的关键之处。透过 LED 的二元光学设计，LED 灯具能够达到更好的配光曲线。例如，在室内照明应用中灯具的光线需要十分明亮，则可使用高透光率灯罩提高光提取效率。或是将导光板技术应用到灯具中，从而将 LED 点光源更改为面光源，不但能提高灯具的配光均匀度，还可以防止眩光。另外，在一些辅助照明和重点照明应用中，为了突出要照亮的物体而需要特定的聚光效果，在这种情况下，可配合一些聚光透镜或反射器使用，以达到理想的光学效果。

　　3．驱动设计

　　必须确保 LED 驱动电流为恒流输出。当 LED 在正向电流下工作时，节点电压的相对变化非常小。因此，确保恒定的 LED 驱动电流，基本上等于确保恒定的 LED 输出电流。此外，灯光控制设计是现今主流驱动设计之一，多用于氛围照明应用中，可根据不同的环境实现不同的亮度级别，还能完全实现节能目标。目前，驱动设计的主要趋势侧重于提高功率因数、降低驱动功耗、优化控制精度和加快响应速度。在设计过程中，电源的设计、印刷电路板的布局和串并联方式都是必须考虑的因素。

　　三、设定标准

　　LED 照明是一个崭新的领域，不但需要设定产品标准、测量标准、控制和接口标准等，而且需要实现进一步的标准化和协调化。目前市场上质量参差不齐的各种 LED 灯五花八门，大多产品信息并不完善，很容易令消费者误会。同时，LED 还经常面对OLED等其他高功率光源以及传统廉价光源的竞争威胁。为了维护和促进行业的健康、可持续发展，LED 照明行业急需设定一套完整的业界标准。目前，美国能源部正在积极推广半导体照明的相关标准，中国大陆、中国台湾、韩国、日本等国家和地区也正积极推行措施设定 LED 标准。

　　高功率LED照明的技术挑战

　　即使 LED 在室内重点照明和装饰照明应用中已有令人满意的表现，但是在普通照明和氛围照明应用中仍然面临许多挑战，包括初置成本、色温较低时的光效、显色指数和系统可靠性等。

　　a．进一步降低初置成本

成本是室内照明中相对比较敏感的因素，特