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如果將LED應(yīng)用看成一個(gè)完整的系統(tǒng)工程，驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以算是一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立的子系統(tǒng)，作為驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)LED只是一個(gè)富含LED電性特征的半導(dǎo)體二極管，而光學(xué)和熱學(xué)則貫穿于芯片、封裝、應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)工作需要承上啟下地考慮，因此算是這個(gè)系統(tǒng)工程中的主體技術(shù)。
以往的文章中多是獨(dú)立地考慮光學(xué)和散熱問(wèn)題，本人將更深入挖掘其內(nèi)在聯(lián)系，力爭(zhēng)為設(shè)計(jì)提供一個(gè)更清晰的脈絡(luò)。
通常的光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡和反光碗的方式，從LED封裝到應(yīng)用都隨處可見(jiàn)這樣的光學(xué)系統(tǒng)，至于是選擇透鏡還是反光杯則需要根據(jù)實(shí)際情況而定，但是沒(méi)有好的方案，只有更好。光學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在效率和合理性（筆者曾經(jīng)以cnoe99@163.com的名義寫(xiě)過(guò)一篇關(guān)于“LED路燈的反光碗和透鏡”的文章發(fā)表于網(wǎng)絡(luò)，可以在google中搜索“LED路燈反光碗式和透鏡式的二次光學(xué)”，該文揭示了一種用反光碗方式做LED路燈的思路，在道路照明效果和燈具效率中間找到一個(gè)相對(duì)合理的平衡點(diǎn)）。
光學(xué)系統(tǒng)的效率
衡量既定的照明需求采用多大功率的系統(tǒng)，通常有以下的公式：
系統(tǒng)產(chǎn)生的發(fā)熱功率有：
其中
為輸入功率，
為照明需求的光通量，
為燈具效率，
為L(zhǎng)ED發(fā)光效率，
為發(fā)熱功率，
為L(zhǎng)ED的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)的效率即體現(xiàn)在燈具效率。
目前一般80lm/W的白光LED發(fā)出光的能量約占輸入能量，即為25%。
舉例說(shuō)明光學(xué)系統(tǒng)的效率對(duì)熱管理的影響：
例：一照明需求1000lm的光線，假設(shè)采用80lm/W的LED：
若采用燈具效率為90%的照明系統(tǒng)，則需要總功率
為：
發(fā)熱功率
若使用其他部分相同，而燈具效率60%的照明系統(tǒng)，則需要總功率為：
發(fā)熱功率
可見(jiàn)選用同樣的LED，后者的發(fā)熱量高出（17.7-10.76）/10.76=65%
芯片的PN結(jié)溫度
其中
為環(huán)境溫度，
為環(huán)境到PN結(jié)的系統(tǒng)熱阻
假設(shè)該照明系統(tǒng)的外界環(huán)境溫度為25℃，為3℃/W
那么燈具效率90%的LED芯片結(jié)溫為：25+3×10.76=57.3℃
那么燈具效率60%的LED芯片結(jié)溫為：25+3×17.7=78.1℃
實(shí)際上本計(jì)算還是存在一定誤差，60%燈具效率的芯片結(jié)溫還應(yīng)該略高一些，因?yàn)楸旧硇酒瑴囟仍礁?，其發(fā)光效率越低，嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該不能以80lm/W的光效計(jì)算。
表1是某品牌大功率白光LED的結(jié)溫
在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系[1]
[1]戴維德，大功率LED的散熱設(shè)計(jì)
可見(jiàn)使用相同的散熱系統(tǒng)兩者的壽命前者為75000小時(shí)左右，后者為34000左右。
兩個(gè)照明系統(tǒng)達(dá)到同樣的照明效果，光學(xué)效率低的不僅僅需要使用更多數(shù)量的LED，而且還多出了65%的熱量，或者如果考慮相同的光源壽命，除了節(jié)約的光源成本外，還可以節(jié)約65%的散熱材料成本、減輕65%的散熱器重量、減小65%的散熱器體積。
未來(lái)白光LED效率達(dá)到160lm/W，光功率占輸入功率50%左右，則：
燈具效率90%的照明系統(tǒng)，則一共需要（1000/90%）/160=6.94W
產(chǎn)生的熱量為6.94×50%+6.94×50%×10%=3.82W
燈具效率90%的照明系統(tǒng)，則一共需要（1000/60%）/160=10.42W
產(chǎn)生的熱量為10.42×50%+10.42×50%×40%=7.3W
后者比前者高出1倍，可見(jiàn)高效的光學(xué)設(shè)計(jì)除了節(jié)約LED成本外，對(duì)熱管理也是有非常重要的意義的，在絞盡腦汁優(yōu)化散熱方案的同時(shí)，也應(yīng)該考慮一下改善一下光學(xué)系統(tǒng)，會(huì)更有利于散熱。
常見(jiàn)的光學(xué)系統(tǒng)幾個(gè)概念：
對(duì)于Lambertian出光的LED，選擇反光方式或透鏡的方式取決于應(yīng)用，一般來(lái)說(shuō)對(duì)于角度特別大或者特別小的要求，用反光方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于一般角度要求的應(yīng)用，選擇反光方式可能獲得更高的燈具效率。
反射一般采用高純度鋁材，或其他材質(zhì)表面鍍金屬覆膜或者其他高反射率的復(fù)合材料，一般可以獲得的反射效率在85%～98%
各種材料反射膜在不同波長(zhǎng)的反射率[2]
|
材料 |
800 nm反射率(%) |
650 nm反射率(%) |
< 500 nm反射率(%) |
|
鋁 (Aluminum) |
86.7 |
90.5 |
91.8 |
|
銀 (Silver) |
99.2 |
98.8 |
97.9 |
|
金 (Gold) |
98.0 |
95.5 |
47.7 |
|
銅 (Copper) |
98.1 |
96.6 |
60.0 |
|
PPA (polyphthalamide) |
--- |
--- |
> 90.0 |
透鏡材料一般選擇高純度低老化的PMMA，其標(biāo)稱折射率在
=1.496。根據(jù)Fresnel定律推導(dǎo)出在光學(xué)透鏡的入射和出射界面的反射系數(shù)
，計(jì)算可以即因入射和出射將損失8%的光線。
而在實(shí)際應(yīng)用中，加工誤差和材料本身吸收也會(huì)產(chǎn)生一些額外的光損失，但是入射和出射的界面損失又因?yàn)闊o(wú)足夠介質(zhì)吸收繼續(xù)再次通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)射出，因此整個(gè)透鏡系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)際效率和設(shè)計(jì)水平有很大的關(guān)系，而效率也需要科學(xué)地測(cè)量。
光學(xué)的合理性
以上概述了光學(xué)系統(tǒng)的效率問(wèn)題，還有另外一方面也是至關(guān)重要的：光學(xué)合理性。除了空間照明需要一定的空間亮度外，很多時(shí)候都有一個(gè)要求的照明范圍，比如路燈的主要功用是照亮馬路，并且是周邊有良好的環(huán)境比；交通指示和戶外顯示有一個(gè)有效觀看角度；洗墻燈要求被照物體是一面墻體。如果設(shè)計(jì)出的光源有大部分的光沒(méi)有照射到因該照射到的范圍，那也形成了光浪費(fèi)，為何不減少這些浪費(fèi)，以節(jié)省LED數(shù)量，減少發(fā)熱量呢？
以交通信號(hào)燈為例：
通常信號(hào)燈用的LED等光強(qiáng)極坐標(biāo)圖如下所示：
整個(gè)LED呈對(duì)稱式配光，但是不可避免的將有一半的光照射在水平軸以上的空間，這些光照射到了空中是浪費(fèi)掉了，即使是交通信號(hào)燈的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也只限定了燈具向下以及左右的光強(qiáng)，因此用于交通信號(hào)燈的理想狀況是將所有光都向下范圍照射（專利產(chǎn)品），如下圖所示：
原本需要近200顆LED才能達(dá)到的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用了新型配光的LED，只要100顆不到就可以達(dá)到了，總發(fā)熱量是原來(lái)方案的一半，并且節(jié)約了大量的LED成本。
對(duì)于LED顯示屏、LED洗墻燈等等，許多應(yīng)用都可以做這些優(yōu)化的方案，當(dāng)散熱遇到瓶頸，難以突破時(shí)，無(wú)論通過(guò)一次光學(xué)還是二次光學(xué)，都可以為散熱效果提升和成本降低提供一個(gè)新的思路。
