表3給出了現(xiàn)有照明的全部特性。

步驟二：確定設計目標

照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設計目標了。與定義照明要求時一樣，關鍵設計目標與光輸出和功耗有關。確保包含了對目標應用也可能重要的其它設計目標，包括工作環(huán)境、材料清單(BOM)成本和使用壽命。

表4以LED照明為例列出的設計目標。

LED驅動器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅動器的成本要高得多。要注意，驅動器效率可能隨輸出負載而變化，如曲線4所示。應指定驅動器工作在大于50%輸出負載下，以使效率最大，并使成本最低。散熱片來重新使用。

步驟三：估計光學系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率

 設計過程中最重要的參數(shù)之一是，需要多少個LED才能滿足設計目標。其他的設計決策都是圍繞LED數(shù)量展開，因為LED數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。

查看LED數(shù)據(jù)手冊列出的典型光通量，用該數(shù)除設計目標流明，這種方法很誘人。然而，此方法太簡化了，依此設計將滿足不了應用的照明要求。

LED的光通量依賴于多種因素，包括驅動電流和結溫。要準確計算所需要的數(shù)量，必須首先估計光學、熱和電氣系統(tǒng)的無效率。以前原型機設計的個人經驗，或者本文提供的例子數(shù)量，都可以作為指南來估計這些損失。本節(jié)對估計這些系統(tǒng)損失的過程進行簡述。

光學系統(tǒng)效率

通過考察光損失估計光學系統(tǒng)的功效。要估計的兩種主要的光損失源為：

1.次級光學器件

次級光學器件是不屬于LED本身的所有光學系統(tǒng)，如LED上的透鏡或擴散片。與次級光學器件相關的損失根據(jù)使用的特定元件的不同而變化。通過各次級光元件的典型光學效率在85%和90%之間。

2．燈具內的光損失

當光線在到達目標物之前，打到燈具罩上時，就產生了燈具光損失。某些光被燈具罩吸收，有些則反射回燈具。固定物的效率由照明的布局、燈具殼的形狀及燈具罩的材料決定。如圖2所示，LED光具有方向性，可達到的效率比全方向照明可能達到的要高得多。

對示例中的照明，如果照明需要次級光學器件，則只存在次級光損失。次級光學器件的主要目的是改變LED的光輸出圖像。曲線2將Cree XLamp XR-E LED的光束角度與目標燈具的光輸出圖像進行了比較。裸LED的光束角度與目標燈具的非常相似，所以不需要次級光學器件。因此，對本示例照明，不存在次級光學器件引起的光損失。

要計算本CFL示例的燈具損失，我們假定燈具反射杯的反射率為85%，60%的光將打到反射杯上。因此，光學效率為：

熱損失

LED的相對通量輸出隨著結溫的上升而降低。大多數(shù)LED數(shù)據(jù)手冊都列出了25℃下的典型光通量值，而大多數(shù)LED應用都采用較高的結溫。當結溫T_j > 25℃時，光通量肯定比LED數(shù)據(jù)手冊給出的值差。

LED數(shù)據(jù)手冊中有一個曲線，給出了相對光輸出與結溫的關系，例如如曲線3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線通過選擇特定相對光輸出或者特定結溫，給出了其它特性值。

對本CFL示例，其照明只是為屋頂通風的商業(yè)建筑設計的。本設計基于所列的設計目標，對光輸出、功效和使用壽命的優(yōu)先次序進行了劃分。

XLamp XR-E LED額定為5萬小時后提供平均70%的流明維持率，結溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合適結溫為80℃。對應的最小相對光通量為85%，如曲線3所示。這一85%相對光通量是對本例照明熱功效估計的值。

電氣損失

LED驅動電子設備將可用功率源(如墻體插座交流電或電池)轉換成穩(wěn)定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會達到100%。驅動器中的電氣損失降低了總體照明效能，因為把輸入功率浪費在發(fā)熱上了，而沒有用在發(fā)光上。在開始設計LED系統(tǒng)時，就應考慮到電氣損失。

典型曲線4示例的LED驅動器效率與負載的關系

對于室內應用，驅動器效率87%的估值很好。室外用或非常長的使用壽命的驅動器，效率可能要低一些。

表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統(tǒng)的效率。

步驟四：計算需要的LED數(shù)量

實際需要的流明量

所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計算要達到設計目標需要的實際LED流明數(shù)。對本計算，只使用光效率(光學和熱)。電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。示例照明“需要的實際流明”的計算如下：

所需的實際流明=目標流明/(光學效率×熱效率)=810/(91%×85%)=1,050lm

工作電流

另一個需要確定的是LED的工作電流。工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過，增加工作電流同時也帶來多個缺點，如表6所示。根據(jù)應用的不同，考慮到每個LED流明輸出值更高，這些缺點也許可以接受。

對示例照明，使用壽命和功效是最應優(yōu)先考慮的設計目標，本照明以XLamp XR-E數(shù)據(jù)手冊所列的最小工作電流(350 mA)工作，以最大限度提高LED功效并延長使用壽命。

LED數(shù)量

工作電流確定之后，就可以計算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經在實際需要的流明數(shù)計算中考慮到了，故LED供應商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。

對本計算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數(shù)據(jù)手冊給出的典型數(shù)量。大多數(shù)LED公司根據(jù)最小通量范圍銷售。根據(jù)此最小數(shù)來設計，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿足目標要求。

本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時的最小光通量為67.2 (P2 flux bin)。LED的數(shù)量計算如下。

LED的數(shù)量=實際所需的流明數(shù)/每個LED的流明數(shù)＝1,050 lm / 67.2 lm=16個LED

步驟五：考慮所有設計可能并選擇最佳設計

LED數(shù)計算好之后，考慮滿足設計目標的所有設計可能。由于每個LED都是一個小照明，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設計元件一起集成到照明中。設計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學器件來構造原始設計，。

同時不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設計的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標準列表超出了本文的范圍，不過，下面的表7給出了世界某些地域使用的規(guī)則的例子。

本節(jié)的其余部分對本示例LED照明的各系統(tǒng)(光學、熱和電器)的3個選項進行說明。對每個系統(tǒng)，給出了最佳選項的選擇指南。

光學系統(tǒng)選項

1．裸LED和現(xiàn)有燈反射器

如前面所述，現(xiàn)有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選則不使用次級光學器件。本選項可使成本最低，并且系統(tǒng)光損失最小。使用的元件較少，人力也較少，這樣使照明安裝更簡單并且費用更低。

缺點是會出現(xiàn)多照明陰影效應，下面將對此予以說明。另外，如果LED的光分布與目標照明的光分布差異很大，就不能采用此方法。

2．帶有次級光學器件的LED和現(xiàn)有燈反射器

次級光學器件是除LED初級光學器件外附加的光學元件，用于對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學器件類型為反射(光從某個表面反射回)，或者折射(光通過折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料)。次級光學器件可以通過購買標準件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設計定制。

每個LED使用一個次級光學器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，為點照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。

這種方法有幾個缺點。首先，因為增加了元件并且裝配較復雜,所以照明的成本較高。其次，由于光學器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級光學器件會降低光學系統(tǒng)的功效。

3．裸LED，現(xiàn)有的燈反射器和漫射器

不是每個LED都使用一個光學器件，整個LED陣列可以使用一個漫射器來傳播光。這種方法的優(yōu)點是光束角度比裸LED能達到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應。

選項2的缺點是成本較高，并且光學系統(tǒng)的功效低。由于漫射器只能發(fā)散光，不能聚集，所以，如果光分布必須窄于裸LED的分布，則不能選擇這種方法。

光照度分布、多源陰影效應和美觀度通常決定了光學系統(tǒng)的選擇。如果光輸出必須比裸LED的光輸出窄，就只能選擇選項2。否則，選項1在成本、功效和亮度上要更好。不過，選項1和2都有多源陰影效應。

另外，用戶查看選項1和2時，會發(fā)現(xiàn)單個的LED，而使用選項3的用戶只能看見一個發(fā)散而均勻的照明。

多源陰影效應

多源陰影效應是當物體位于多個照明之間時，表面出現(xiàn)多個陰影的現(xiàn)象。大多數(shù)人都見過安裝在浴室水池上方的多個燈泡，會注意到后面墻壁上有多個自己的影子，這就是多源陰影效應。

布局很近的LED將產生多個相互接近的陰影。在目標應用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設計師要決定，對目標應用，多陰影效應的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應而帶來的額外光學損失是否值得。

熱系統(tǒng)選項

1．現(xiàn)有燈具罩

最低成本選項是將現(xiàn)有設計的燈具罩作為LED照明的罩和

新照明設計顯然不能選擇這一選項。另外，多數(shù)現(xiàn)有罩都是鋼制的，熱導性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

2．現(xiàn)成的散熱片

另一個選項是購買現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設計經過驗證，制造商有完整的技術指標。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標應用而優(yōu)化。

3．定制散熱片

定制方案為應用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。

這一選項需要設計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設計經驗的第三方來協(xié)助。加工和制造費用可能使定制散熱片的單位成本高于現(xiàn)成設計的成本。

目標照明的成本、可用的散熱片開發(fā)時間以及目標最高環(huán)境溫度常常決定了熱系統(tǒng)的選擇。一般來說，在降低成本比最高環(huán)境溫度更重要的情況下,選項2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下, 選項3更優(yōu)(如室外照明或條件不好的室內照明)。

例子中的LED照明使用熱阻為0.47℃/W萬的現(xiàn)成散熱片。使用這一散熱片熱阻值，最高環(huán)境溫度可以用下式計算：

T_j=T_a + ( R_{th b-a}×P_total )+ ( R_{th j-sp}×P_LED )

其中，T_j 為 LED結溫，T_a 為環(huán)境溫度，R_{th b-a}為散熱片的熱阻，P_LED為單個LED的功耗，P_LED=工作電流×該工作電流下的典型Vf，P_total =總功耗=LED數(shù)×P_LED，R_{th j-sp}=LED封裝熱阻。

示例中的照明的值為：

T_j,MAX=80℃
R_{th b-a}=0.47℃/W
P_LED=0.35 A×3.3 V=1.155 W
P_total=16×1.155 W=18.48 W
R_{th j-sp}=8℃/W

T_{a MAX}=T_{j MAX}-( R_{th b-a}×P_total )-( R_{th j-sp}×P_LED )
= 80℃- ( 0.47℃/W×18.48 W ) -( 8℃/W×1.155 W )
= 80℃- 8.6856℃-9.24℃
= 62℃

對本室內應用，例中照明的最高環(huán)境溫度62℃可以接受。對需要最高環(huán)境溫度更高的工作環(huán)境，既可以提高最大結溫(可能影響使用壽命)，也可以改進熱系統(tǒng)(R_{th b-a} )(例如選擇更好的散熱片)。

電氣系統(tǒng)選項

1．現(xiàn)成的LED驅動器

由于現(xiàn)成LED驅動器已經可以使用了，并且有參考電路設計，所以，使用現(xiàn)成的LED驅動器將使設計時間最快。對所有零件都進行電磁干擾(EMI)和安規(guī)測試，并且一般來說，批量情況下每單位的成本最低。

缺點是現(xiàn)有LED驅動器效率通常在80%中間范圍。根據(jù)銷售商和應用的不同，使用壽命和工作溫度也可能是個問題。

 2．下一代LED驅動器

 隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導體公司都在將注意力轉向優(yōu)化LED設計。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅動器開發(fā)進行合作，這樣效率更高，并且能獲得管理部門的完全認可。

 不過，等待產品開發(fā)可能推遲LED照明的開發(fā)。另外，小一些的公司可能無法找到驅動器公司來一起開發(fā)未上市的產品。

 3．定制設計

 對于熱設計，可以選擇完全定制電氣系統(tǒng)?？赡鼙仁褂矛F(xiàn)成零件達到的效率高，但有許多潛在缺點。

 開發(fā)和認證批準由設計師承擔。即使在開發(fā)之后，每單位成本也可能高于現(xiàn)有方案。另外，不要忘記，在LED照明開發(fā)期間，驅動器公司會一直開發(fā)效率更高且更廉價的驅動器。

 可以利用的開發(fā)資源和目標效率通常決定了電氣系統(tǒng)的選擇。在目前的大功率LED環(huán)境下，總照明效率的提高受LED本身的影響比受驅動器的影響要大。盡快完成產品可能比試圖等電氣設計更完美后要有利。

 步驟六：最后步驟

 表8詳細給出了構建和評估原型照明的最后步驟，一旦作出設計決定，可按照該步驟來完成。

從哪里得到幫助

整個LED照明設計步驟是決定性的。表9提供了可以幫助得到最終設計的Cree目前的合作伙伴的聯(lián)系方法。