LED路燈的技術(shù)要點分析

十城萬盞”是我國高科技產(chǎn)業(yè)以應(yīng)用促發(fā)展的示范工程，其目的旨在通過選擇一批基礎(chǔ)良好的城市，采取國家、地方、企業(yè)共同投入的模式，率先開展LED市政照明的應(yīng)用試點，為我國全面推廣半導(dǎo)體照明摸索經(jīng)驗，并通過應(yīng)用提升產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新水平，增強國際競爭力，促進中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)做大做強。
本文選擇了示范項目較多的路燈、隧道燈以及對產(chǎn)品影響較大的驅(qū)動電源3個方面分析其技術(shù)進展，為“十城萬盞”的順利實施提供參考。
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行了試點應(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）要遠遠超過高壓鈉燈（約25），且在相同照度下，白光LED更有助于司機或行人識別目標，其道路照明效果和舒適度要遠高于高壓鈉燈。在燈具效率方面，高壓鈉燈采用球面發(fā)光設(shè)計，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?shù)呐涔庠O(shè)計，大部分光線會直接投射到路面，燈具效率能達85%以上。
所以，僅從光效和燈具效率來看，就可見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)過程中對配光、電源和散熱等三個關(guān)鍵技術(shù)所取得的研究成果來重點闡述“十城萬盞”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
通過光學(xué)設(shè)計獲得蝙蝠翼型光強分布
目前市場上的LED路燈，其光源部分主要分兩種方式：單顆1 W大功率白光LED陣列和大功率集成封裝光源模組。盡管LED路燈的國家標準還沒有出臺，但LED路燈的配光在參考傳統(tǒng)光源道路照明標準要求時要實現(xiàn)以下目標：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，要實現(xiàn)以上目標主要是通過合適的光學(xué)設(shè)計以獲得蝙蝠翼型光強分布，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)研究中心開發(fā)的設(shè)計思路是不采用單獨的二次光學(xué)透鏡，而是在一次封裝的LED的發(fā)光光源外直接設(shè)計波浪形光學(xué)透鏡面罩，利用透鏡面罩來達到整個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)研究中心還開發(fā)設(shè)計特殊形狀的一次光學(xué)透鏡，在LED芯片封裝時直接安裝，具有體積小、成本低的特點，完全符合LED路燈和道路照明要求。
隨著封裝技術(shù)的進步，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 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)計帶來困難。
中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的紅光增強的大功率白光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，實時監(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)通過計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實時探測封裝基板的溫度，實現(xiàn)對大功率LED芯片結(jié)溫的間接監(jiān)控，當結(jié)溫超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度時，系統(tǒng)可以自動調(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)運用在LED路燈上。
電源
加強驅(qū)動電源可靠性設(shè)計 匹配LED壽命
目前主流的LED路燈采用交流電供電，交流電LED路燈存在一個共性問題，就是難以保證驅(qū)動電源壽命與LED的壽命相匹配。因為交流電必須經(jīng)過開關(guān)電源的整流濾波才能變成直流電，而開關(guān)電源中必須采用電解電容來濾波。一般的電解電容壽命只有8000小時，遠遠小于LED的理論壽命50000小時。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LED路燈系統(tǒng)的壽命必然會受到電解電容的拖累。因此，制約LED路燈壽命的一個重要因素就是驅(qū)動電源的可靠性設(shè)計。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 、長壽命、過壓過流、隔離、浪涌、過溫、防護方面、符合安規(guī)和電磁兼容的要求等幾方面進行考慮。
對于大功率LED路燈，無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)動方式是采取恒流驅(qū)動。一般通行的電路結(jié)構(gòu)又由一個恒壓源提供若干個恒流源，每個恒流源單獨驅(qū)動一路串聯(lián)的LED和市電直接轉(zhuǎn)為恒流，LED以串并聯(lián)組合的方式運行兩種。
對于采用單顆1 W大功率白光LED陣列的這種方式，恒壓源為傳統(tǒng)的開關(guān)電源架構(gòu)相對成熟；而相配的恒流源部分為直流降壓型，效率能達到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電流可獨立控制，保證燈具整體發(fā)光一致，但是成本會稍高一點。
對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，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，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，將會是以后LED路燈電源驅(qū)動主流發(fā)展方向。