LED路燈的(de)技術要點分(fēn)析

目前，用(yòng)于道路照(zhào)明(míng)的(de)傳統光(guāng)源主要是高(gāo)壓鈉燈，LED路燈主要在一些支幹道上進行了(le)試點應用(yòng)，但兩者已表現出明(míng)顯的(de)優劣差異。在光(guāng)效方面，高(gāo)壓鈉燈最高(gāo)可(kě)達140lm/W,比目前商用(yòng)大(dà)功率LED的(de)光(guāng)效100lm/W高(gāo)，但LED的(de)顯色指數（約80）要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高(gāo)壓鈉燈（約25），且在相同照(zhào)度下(xià)，白光(guāng)LED更有助于司機或行人(rén)識别目标，其道路照(zhào)明(míng)效果和(hé)舒适度要遠(yuǎn)高(gāo)于高(gāo)壓鈉燈。在燈具效率方面，高(gāo)壓鈉燈采用(yòng)球面發光(guāng)設計，綜合考慮反射器效率，高(gāo)壓鈉燈的(de)燈具效率一般僅有70%.但LED是定向出光(guāng)，如采用(yòng)恰當的(de)配光(guāng)設計，大(dà)部分(fēn)光(guāng)線會直接投射到路面，燈具效率能達85%以上。

　　所以，僅從光(guāng)效和(hé)燈具效率來(lái)看，就可(kě)見LED路燈取代傳統路燈光(guāng)源的(de)巨大(dà)潛力。爲此，本文将從中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心在LED照(zhào)明(míng)應用(yòng)的(de)研發過程中對(duì)配光(guāng)、電源和(hé)散熱(rè)等三個(gè)關鍵技術所取得(de)的(de)研究成果來(lái)重點闡述“十城(chéng)萬盞”示範應用(yòng)工程關系密切的(de)“LED路燈”的(de)技術路線和(hé)技術支撐。

　　配光(guāng)

　　通(tōng)過光(guāng)學設計獲得(de)蝙蝠翼型光(guāng)強分(fēn)布

　　目前市場(chǎng)上的(de)LED路燈，其光(guāng)源部分(fēn)主要分(fēn)兩種方式：單顆1W大(dà)功率白光(guāng)LED陣列和(hé)大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組。盡管LED路燈的(de)國家标準還(hái)沒有出台，但LED路燈的(de)配光(guāng)在參考傳統光(guāng)源道路照(zhào)明(míng)标準要求時(shí)要實現以下(xià)目标：合适的(de)平均路面亮度；高(gāo)的(de)總照(zhào)度均勻度和(hé)縱向照(zhào)度均勻度；合适的(de)環境比；眩光(guāng)控制等。

　　從配光(guāng)曲線上看，要實現以上目标主要是通(tōng)過合适的(de)光(guāng)學設計以獲得(de)蝙蝠翼型光(guāng)強分(fēn)布，從而在路面上獲得(de)矩形的(de)光(guāng)斑分(fēn)布。但是普通(tōng)大(dà)功率白光(guāng)LED的(de)封裝透鏡（即一次光(guāng)學透鏡）不适合直接應用(yòng)于LED路燈上，所以在每一個(gè)大(dà)功率白光(guāng)LED的(de)一次光(guāng)學透鏡上還(hái)要添加二次光(guāng)學透鏡，目前“花生米”型的(de)二次光(guāng)學透鏡能達到較好的(de)效果。

　　中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心開發的(de)設計思路是不采用(yòng)單獨的(de)二次光(guāng)學透鏡，而是在一次封裝的(de)LED的(de)發光(guāng)光(guāng)源外直接設計波浪形光(guāng)學透鏡面罩，利用(yòng)透鏡面罩來(lái)達到整個(gè)LED路燈發光(guāng)光(guāng)源的(de)二次光(guāng)學透鏡的(de)功能。

　　随著(zhe)封裝産業向下(xià)遊應用(yòng)産業的(de)需求靠攏，中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心還(hái)開發設計特殊形狀的(de)一次光(guāng)學透鏡，在LED芯片封裝時(shí)直接安裝，具有體積小、成本低的(de)特點，完全符合LED路燈和(hé)道路照(zhào)明(míng)要求。

随著(zhe)封裝技術的(de)進步，白光(guāng)LED的(de)封裝方式由單顆1W大(dà)功率LED器件逐漸轉向大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組。目前的(de)大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組的(de)功率最高(gāo)可(kě)達100W以上，但這(zhè)類光(guāng)源由于發光(guāng)面積較大(dà)，爲光(guāng)學配光(guāng)設計帶來(lái)困難。

　　中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心開發的(de)紅光(guāng)增強的(de)大(dà)功率白光(guāng)LED智能控制系統技術，可(kě)以獲得(de)顯色指數90以上，相關色溫2500~8000K可(kě)調的(de)光(guāng)源模組。該技術利用(yòng)在封裝基闆上集成光(guāng)電轉換芯片，實時(shí)監控光(guāng)源模組的(de)白光(guāng)色度學參數，光(guāng)電轉換芯片将探測到的(de)白光(guāng)色度學參數的(de)變化(huà)反饋給智能控制系統，系統通(tōng)過計算(suàn)後保證燈具能輸出最優色度學性能的(de)白光(guāng)，可(kě)以保證光(guāng)源模組輸出保持設定的(de)相關色溫範圍和(hé)顯色指數；封裝基闆上還(hái)集成了(le)溫度傳感芯片來(lái)實時(shí)探測封裝基闆的(de)溫度，實現對(duì)大(dà)功率LED芯片結溫的(de)間接監控，當結溫超過系統預設的(de)溫度時(shí)，系統可(kě)以自動調節散熱(rè)系統的(de)散熱(rè)途徑或降低LED的(de)功率。該光(guāng)源模組可(kě)以由單顆1W大(dà)功率白光(guāng)LED陣列的(de)方式或大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組的(de)方式組成，已經運用(yòng)在LED路燈上。

電源

　　加強驅動電源可(kě)靠性設計 匹配LED壽命

　　目前主流的(de)LED路燈采用(yòng)交流電供電，交流電LED路燈存在一個(gè)共性問題，就是難以保證驅動電源壽命與LED的(de)壽命相匹配。因爲交流電必須經過開關電源的(de)整流濾波才能變成直流電，而開關電源中必須采用(yòng)電解電容來(lái)濾波。一般的(de)電解電容壽命隻有8000小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LED的(de)理(lǐ)論壽命50000小時(shí)。而且環境溫度每升高(gāo)10℃，電解電容的(de)壽命就降低一半，使得(de)整個(gè)LED路燈系統的(de)壽命必然會受到電解電容的(de)拖累。因此，制約LED路燈壽命的(de)一個(gè)重要因素就是驅動電源的(de)可(kě)靠性設計。LED路燈在室外環境下(xià)保證電源的(de)可(kě)靠工作，一般需要從高(gāo)效率、高(gāo)功率、長(cháng)壽命、過壓過流、隔離、浪湧、過溫、防護方面、符合安規和(hé)電磁兼容的(de)要求等幾方面進行考慮。

　　對(duì)于大(dà)功率LED路燈，無論其光(guāng)源部分(fēn)采用(yòng)單顆1W大(dà)功率白光(guāng)LED陣列方式或大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組方式，其主流的(de)電源驅動方式是采取恒流驅動。一般通(tōng)行的(de)電路結構又由一個(gè)恒壓源提供若幹個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨驅動一路串聯的(de)LED和(hé)市電直接轉爲恒流，LED以串并聯組合的(de)方式運行兩種。

　　對(duì)于采用(yòng)單顆1W大(dà)功率白光(guāng)LED陣列的(de)這(zhè)種方式，恒壓源爲傳統的(de)開關電源架構相對(duì)成熟；而相配的(de)恒流源部分(fēn)爲直流降壓型，效率能達到95%以上，另外所占的(de)電路空間較小，既可(kě)以與恒壓源部分(fēn)組合在一塊，也(yě)可(kě)以與LED集成在一起，具有較大(dà)的(de)靈活性。每一路LED電流可(kě)獨立控制，保證燈具整體發光(guāng)一緻，但是成本會稍高(gāo)一點。

　　對(duì)于大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組方式，又分(fēn)爲隔離型和(hé)非隔離型兩類，前者成本以及效率方面有優勢，但由于是非隔離的(de)，供電不穩，尤其是晚上電壓較高(gāo)或雷雨(yǔ)時(shí)産生的(de)浪湧，容易造成LED光(guāng)源連同電源一起損壞。而後者雖然效率較低，電路複雜(zá)度較高(gāo)，但可(kě)靠性得(de)到保證。無論是隔離型還(hái)是非隔離型的(de)交流-直流恒流源，由于路燈上的(de)LED數目由幾十到上百個(gè)，所以後端LED要考慮串聯和(hé)并聯相結合，于是不可(kě)避免地使得(de)并聯各路電流不一緻。目前，這(zhè)兩種方式的(de)電源并存。多(duō)路恒流輸出的(de)方式，在性能以及可(kě)靠性方面較好，将會是以後LED路燈電源驅動主流發展方向。

挖掘電池潛力 延長(cháng)太陽能路燈壽命

　　随著(zhe)太陽能這(zhè)一新能源的(de)發展，各地的(de)太陽能LED路燈也(yě)逐漸興起，太陽能電池的(de)低壓直流、長(cháng)壽命的(de)特點正好與LED相匹配。但是太陽能LED路燈系統中依然存在壽命瓶頸，就是鉛酸蓄電池。一般的(de)鉛酸蓄電池的(de)壽命爲500個(gè)充電循環，大(dà)概在2年左右，約5000小時(shí)。中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心開發的(de)智能充放電智能控制器，可(kě)以使得(de)鉛酸蓄電池的(de)壽命達到1500次循環。

　　傳統的(de)太陽能路燈充電系統中，通(tōng)常經過防電流倒灌二極管将太陽能闆與蓄電池直接相連，将導緻太陽能闆的(de)工作點偏移最大(dà)功率點（MaximPowerPoint,簡稱MPP）而未有效利用(yòng)太陽能闆的(de)可(kě)輸出功率，同時(shí)容易使蓄電池因供能不足而長(cháng)期處于欠充滿狀态，造成壽命縮減。中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心開發的(de)太陽能LED路燈系統利用(yòng)太陽追蹤（SunTracking）和(hé)最大(dà)功率追蹤（MPPTracking,即MPPT）技術，可(kě)使太陽電池的(de)輸出穩定在MPP附近，從而有效利用(yòng)了(le)太陽能闆可(kě)輸出的(de)最大(dà)功率。

智能調光(guāng)系統靈活調整光(guāng)輸出 降低能耗

　　傳統高(gāo)壓鈉路燈，隻能實現小範圍的(de)調光(guāng)控制，比如關閉一側或間隔關閉路燈，不可(kě)避免地帶來(lái)照(zhào)明(míng)形态的(de)改變，容易造成安全隐患。LED路燈則可(kě)實現0-100%連續調光(guāng)，可(kě)根據環境光(guāng)照(zhào)及交通(tōng)狀況靈活調整光(guāng)輸出，在保證照(zhào)明(míng)質量的(de)同時(shí)降低不必要的(de)功耗。中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心開發的(de)LED路燈的(de)智能調光(guāng)系統能方便地控制LED的(de)工作狀态，并通(tōng)過改變驅動電流來(lái)控制其亮度。比如在進入下(xià)半夜後，通(tōng)過降低整燈電流或關閉燈具内部分(fēn)LED發光(guāng)組件來(lái)達到低功率運行，達到節能的(de)效果。

　　中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心還(hái)把Zigbee無線通(tōng)訊控制技術應用(yòng)在LED路燈系統上。Zigbee無線控制系統的(de)出發點是希望能發展一種容易布建的(de)低成本無線網絡，具有協議(yì)棧簡單緊湊、省電、可(kě)靠、時(shí)延短、網絡容量大(dà)等特點。Zigbee收發模塊集成在每一個(gè)LED路燈上，并通(tōng)過接力的(de)方式，把所有的(de)信息彙集在終端上，從而實現在終端對(duì)每個(gè)LED路燈的(de)運行情況進行有效的(de)監控，發揮系統控制、故障排除和(hé)防盜的(de)功能。

散熱(rè)

優化(huà)散熱(rè)和(hé)熱(rè)管理(lǐ)控制系統

　　LED在正向電壓下(xià)，電子在電場(chǎng)的(de)驅動下(xià)克服p-n結的(de)電場(chǎng)，由n區(qū)躍遷到p區(qū)并與p區(qū)的(de)空穴發生複合。由于躍遷到p區(qū)的(de)自由電子具有高(gāo)于p區(qū)價電子的(de)能量，複合時(shí)電子回到低能量态，多(duō)餘的(de)能量以光(guāng)子的(de)形式釋放，輻射出來(lái)的(de)光(guāng)還(hái)需經過芯片本身的(de)半導體介質和(hé)封裝介質才能抵達外界。

　　綜合考慮電流注入效率、輻射發光(guāng)量子效率、芯片外部光(guāng)萃取效率等因素，對(duì)于100lm/W的(de)LED隻有約30%的(de)電能轉化(huà)爲光(guāng)能，其餘的(de)能量則轉化(huà)爲熱(rè)能，使LED芯片溫度升高(gāo)。對(duì)于LED芯片，如果熱(rè)量不能有效散出，會導緻芯片的(de)溫度升高(gāo)，引起熱(rè)應力的(de)非均勻分(fēn)布、芯片發光(guāng)效率和(hé)熒光(guāng)粉效率下(xià)降。

　　随著(zhe)p-n結的(de)溫升，LED芯片的(de)發射波長(cháng)将發生紅移，導緻YAG熒光(guāng)粉激發效率下(xià)降，總的(de)發光(guāng)強度降低，白光(guāng)色度漂移。當溫度超過一定值時(shí)，器件的(de)失效率将呈指數規律攀升。器件溫度每上升2℃，可(kě)靠性将下(xià)降10%.爲了(le)保證器件的(de)壽命，一般要求p-n結的(de)結溫在90℃以下(xià)。當多(duō)個(gè)LED密集陣列或集成封裝時(shí)，系統散熱(rè)問題更嚴重。因此解決散熱(rè)問題已成爲LED路燈的(de)先決條件。

　　如何提高(gāo)LED路燈的(de)散熱(rè)能力是LED封裝和(hé)LED路燈設計的(de)核心問題。LED路燈散熱(rè)問題分(fēn)爲芯片p-n結到外延層；外延層到封裝基闆；封裝基闆到外界環境三個(gè)層次。這(zhè)三個(gè)環節構成了(le)熱(rè)傳導的(de)通(tōng)道。針對(duì)LED的(de)散熱(rè)難題，中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心分(fēn)别以下(xià)各個(gè)層面對(duì)散熱(rè)和(hé)熱(rè)管理(lǐ)系統進行了(le)優化(huà)設計。

　　芯片p-n結到外延層的(de)散熱(rè)：在氮化(huà)镓材料的(de)生長(cháng)過程中，改進材料結構，優化(huà)生長(cháng)參數，獲得(de)高(gāo)質量的(de)外延片，提高(gāo)器件内量子效率，從根本上減少熱(rè)量的(de)産生，加快(kuài)芯片p-n結到外延層的(de)熱(rè)傳導。

　　外延層到封裝基闆的(de)散熱(rè)：在芯片封裝上，采用(yòng)倒裝芯片結構、共晶焊封裝、金屬線路闆結構。在器件封裝上，選擇合适的(de)基闆材料，比如金屬印刷電路闆（MC-PCB）、陶瓷、複合金屬基闆等導熱(rè)性能好的(de)封裝基闆，以加快(kuài)熱(rè)量從外延層向封裝基闆散發。

封裝基闆到外界環境的(de)散熱(rè)：目前的(de)LED路燈一般是将大(dà)功率白光(guāng)LED通(tōng)過回流焊的(de)方式陣列焊接在金屬封裝基闆上，然後再把金屬封裝基闆緊密安裝在大(dà)體積的(de)鋁、銅材料的(de)散熱(rè)翅片上。大(dà)功率白光(guāng)LED産生的(de)熱(rè)量通(tōng)過金屬封裝基闆傳遞到散熱(rè)翅片上，利用(yòng)自然對(duì)流或人(rén)爲強制對(duì)流的(de)方式達到散熱(rè)的(de)目的(de)。

　　中山大(dà)學半導體照(zhào)明(míng)系統研究中心針對(duì)大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組的(de)熱(rè)量大(dà)而集中的(de)特點，将大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組安裝在均溫闆上，利用(yòng)均溫闆的(de)快(kuài)速擴散熱(rè)量的(de)性能将LED産生的(de)熱(rè)量快(kuài)速橫向擴散；在散熱(rè)翅片部分(fēn)還(hái)采用(yòng)熱(rè)管（直型熱(rè)管、回路熱(rè)管和(hé)脈沖熱(rè)管）來(lái)降低加強熱(rè)傳導和(hé)降低熱(rè)阻；在LED路燈的(de)腔體中産生人(rén)工強制對(duì)流的(de)方式來(lái)加強對(duì)流散熱(rè)。

綜上所述，引導LED路燈發展的(de)技術支撐将體現在基于共晶焊技術的(de)大(dà)功率集成封裝光(guāng)源模組方式；一次光(guāng)學透鏡；高(gāo)顯色指數和(hé)色溫可(kě)調的(de)白光(guāng)智能控制系統；長(cháng)壽命驅動電源；LED路燈結溫智能控制系統； Zigbee無線通(tōng)訊控制技術；基于熱(rè)管技術的(de)系統散熱(rè)和(hé)熱(rè)管理(lǐ)控制系統等幾個(gè)方面。

　　随著(zhe)能源價格的(de)高(gāo)企、能源危機的(de)加劇和(hé)人(rén)類環保意識的(de)提高(gāo)，LED照(zhào)明(míng)憑借其節能和(hé)環保的(de)特點受到了(le)越來(lái)越大(dà)的(de)關注。目前，LED在路燈照(zhào)明(míng)和(hé)室内照(zhào)明(míng)等普通(tōng)照(zhào)明(míng)領域的(de)應用(yòng)剛處于起步階段，受2008年北(běi)京奧運會和(hé)2010年上海世博會的(de)推動，大(dà)功率白光(guāng)LED的(de)發光(guāng)效率即将突破150lm/W将是LED進入普通(tōng)照(zhào)明(míng)的(de)絕佳時(shí)機，随著(zhe)單位流明(míng)價格的(de)降低，LED路燈将全面取代現有的(de)傳統路燈。屆時(shí)，全球的(de)LED路燈的(de)需求将達上億隻，僅中國的(de)需求就要達到上千萬隻，産值将達上千億元。