LED路灯的技术要点分析

十城万盏”是我国高科技产业以应用促发展的示范工程，其目的旨在通过选择一批基础良好的城市，采取国家、地方、企业共同投入的模式，率先开展LED市政照明的应用试点，为我国全面推广半导体照明摸索经验，并通过应用提升产业的自主创新水平，增强国际竞争力，促进中国半导体照明产业做大做强。
本文选择了示范项目较多的路灯、隧道灯以及对产品影响较大的驱动电源3个方面分析其技术进展，为“十城万盏”的顺利实施提供参考。
目前，用于道路照明的传统光源主要是高压钠灯， LED路灯主要在一些支干道上进行了试点应用，但两者已表现出明显的优劣差异。在光效方面，高压钠灯最高可达140 lm/W，比目前商用大功率LED的光效100 lm/W高，但LED的显色指数（约80）要远远超过高压钠灯（约25），且在相同照度下，白光LED更有助于司机或行人识别目标，其道路照明效果和舒适度要远高于高压钠灯。在灯具效率方面，高压钠灯采用球面发光设计，综合考虑反射器效率，高压钠灯的灯具效率一般仅有70%。但LED是定向出光，如采用恰当的配光设计，大部分光线会直接投射到路面，灯具效率能达85%以上。
所以，仅从光效和灯具效率来看，就可见LED路灯取代传统路灯光源的巨大潜力。为此，本文将从中山大学半导体照明系统研究中心在LED照明应用的研发过程中对配光、电源和散热等三个关键技术所取得的研究成果来重点阐述“十城万盏”示范应用工程关系密切的“LED路灯”的技术路线和技术支撑。
配光
通过光学设计获得蝙蝠翼型光强分布
目前市场上的LED路灯，其光源部分主要分两种方式：单颗1 W大功率白光LED阵列和大功率集成封装光源模组。尽管LED路灯的国家标准还没有出台，但LED路灯的配光在参考传统光源道路照明标准要求时要实现以下目标：合适的平均路面亮度；高的总照度均匀度和纵向照度均匀度；合适的环境比；眩光控制等。
从配光曲线上看，要实现以上目标主要是通过合适的光学设计以获得蝙蝠翼型光强分布，从而在路面上获得矩形的光斑分布。但是普通大功率白光LED的封装透镜（即一次光学透镜）不适合直接应用于LED路灯上，所以在每一个大功率白光LED的一次光学透镜上还要添加二次光学透镜，目前“花生米”型的二次光学透镜能达到较好的效果。
中山大学半导体照明系统研究中心开发的设计思路是不采用单独的二次光学透镜，而是在一次封装的LED的发光光源外直接设计波浪形光学透镜面罩，利用透镜面罩来达到整个LED路灯发光光源的二次光学透镜的功能。
随着封装产业向下游应用产业的需求靠拢，中山大学半导体照明系统研究中心还开发设计特殊形状的一次光学透镜，在LED芯片封装时直接安装，具有体积小、成本低的特点，完全符合LED路灯和道路照明要求。
随着封装技术的进步，白光LED的封装方式由单颗1W大功率LED器件逐渐转向大功率集成封装光源模组。目前的大功率集成封装光源模组的功率最高可达 100W以上，但这类光源由于发光面积较大，为光学配光设计带来困难。
中山大学半导体照明系统研究中心开发的红光增强的大功率白光LED智能控制系统技术，可以获得显色指数90以上，相关色温2500~8000K可调的光源模组。该技术利用在封装基板上集成光电转换芯片，实时监控光源模组的白光色度学参数，光电转换芯片将探测到的白光色度学参数的变化反馈给智能控制系统，系统通过计算后保证灯具能输出最优色度学性能的白光，可以保证光源模组输出保持设定的相关色温范围和显色指数；封装基板上还集成了温度传感芯片来实时探测封装基板的温度，实现对大功率LED芯片结温的间接监控，当结温超过系统预设的温度时，系统可以自动调节散热系统的散热途径或降低LED的功率。该光源模组可以由单颗1 W大功率白光LED阵列的方式或大功率集成封装光源模组的方式组成，已经运用在LED路灯上。
电源
加强驱动电源可靠性设计 匹配LED寿命
目前主流的LED路灯采用交流电供电，交流电LED路灯存在一个共性问题，就是难以保证驱动电源寿命与LED的寿命相匹配。因为交流电必须经过开关电源的整流滤波才能变成直流电，而开关电源中必须采用电解电容来滤波。一般的电解电容寿命只有8000小时，远远小于LED的理论寿命50000小时。而且环境温度每升高10℃，电解电容的寿命就降低一半，使得整个LED路灯系统的寿命必然会受到电解电容的拖累。因此，制约LED路灯寿命的一个重要因素就是驱动电源的可靠性设计。LED路灯在室外环境下保证电源的可靠工作，一般需要从高效率、高功率 、长寿命、过压过流、隔离、浪涌、过温、防护方面、符合安规和电磁兼容的要求等几方面进行考虑。
对于大功率LED路灯，无论其光源部分采用单颗1 W大功率白光LED阵列方式或大功率集成封装光源模组方式，其主流的电源驱动方式是采取恒流驱动。一般通行的电路结构又由一个恒压源提供若干个恒流源，每个恒流源单独驱动一路串联的LED和市电直接转为恒流，LED以串并联组合的方式运行两种。
对于采用单颗1 W大功率白光LED阵列的这种方式，恒压源为传统的开关电源架构相对成熟；而相配的恒流源部分为直流降压型，效率能达到95%以上，另外所占的电路空间较小，既可以与恒压源部分组合在一块，也可以与LED集成在一起，具有较大的灵活性，每一路LED电流可独立控制，保证灯具整体发光一致，但是成本会稍高一点。
对于大功率集成封装光源模组方式，又分为隔离型和非隔离型两类，前者成本以及效率方面有优势，但由于是非隔离的，供电不稳，尤其是晚上电压较高或雷雨时产生的浪涌，容易造成LED光源连同电源一起损坏。而后者虽然效率较低，电路复杂度较高，但可靠性得到保证。无论是隔离型还是非隔离型的交流-直流恒流源，由于路灯上的LED数目由几十到上百个，所以后端LED要考虑串联和并联相结合，于是不可避免地使得并联各路电流不一致。目前，这两种方式的电源并存。多路恒流输出的方式，在性能以及可靠性方面较好，将会是以后LED路灯电源驱动主流发展方向。