隨著世界經(jīng)濟的高速增長，全球能源短缺越來越嚴重。而在總的能源消耗量中，照明用電占了約20%的份額，并且還在不斷增長。因此，對普通照明的光源來說，光效是最重要的指標之一。

　　而照明系統(tǒng)光效取決于光源，光學(xué)透鏡或反光杯，以及鎮(zhèn)流器或驅(qū)動電路。在各種新光源中，最受矚目的就是半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）。尤其是白光LED,它在光效（理論光效350lm/W）和壽命方面具備一般光源所無法比擬的潛在優(yōu)點，并且面臨突破的可能。LED廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、裝飾性燈等領(lǐng)域。其中，最有潛力的應(yīng)用當屬大規(guī)模的通用照明應(yīng)用。然而，目前LED依然價格偏高，成本因素制約了大功率LED的廣泛推廣應(yīng)用。同時，大功率白光LED的現(xiàn)有光效約為90-100 lm/W,與傳統(tǒng)光源相比節(jié)能并不明顯。除了提高LED光效以外，我們還可通過光學(xué)和電學(xué)設(shè)計來提高LED照明系統(tǒng)的效率。

　　關(guān)于系統(tǒng)光效

　　光效高，對于國家來說意味著節(jié)能節(jié)電，對于用戶來說意味著省錢，即同樣照度可以用較低瓦數(shù)的光源實現(xiàn)。

　　事實上，用戶關(guān)心的是照射在實際需要照射到的面積（空間）的照度。因此，與照明系統(tǒng)效率相關(guān)的概念有：光源光效、燈具效率和光利用率（如圖1）。

　　光源光效 = 總光通量/總功率；

　　燈具效率 = 燈具出射光通量/光源光通量；

　　光利用率 = 要求被照明的有效面積內(nèi)的光通量/光源光通量。

　　因此，照明系統(tǒng)的效率為：系統(tǒng)光效 =光源效率X光利用率=驅(qū)動器效率X光效 X光利用率。由于驅(qū)動器效率一般為90%左右，各類光源差別不大，故本文主要針對光效和光利用率展開分析和討論。

　　光源光效

　　首先，分析一下光源光效。

　　光源光效可表示為：

　　其中，驅(qū)動器效率，指驅(qū)動電路鎮(zhèn)流器上的損耗；光輻射效率，對應(yīng)光源的發(fā)熱損耗；輻射光譜中可見光百分比
，指明了紅外、紫外損失；輻射光效，是人眼時間函數(shù)加權(quán)比

　　表1列出了各種光源的光效，并進行了比較和分析。

　　由表1可見：當前LED的絕對光效約為90-100 lm/W,比高壓鈉燈、金鹵燈、熒光燈等略低。但是高壓鈉燈、金鹵燈、熒光燈等光源的光效提高難度較大，而LED的潛力巨大，其理論光效為355 lm/W.由于現(xiàn)有技術(shù)和工藝水平的限制，LED難以達到理論光效值。但近年來LED的光效已在快速提高，如已有報道160lm/W以上的實驗室數(shù)據(jù)及130lm/W以上的市場產(chǎn)品。可以預(yù)見，從光效的角度，LED將對現(xiàn)有的其它光源形成很大的挑戰(zhàn)。

　　光利用率

　　該部分將通過一個照明系統(tǒng)的例子，來分析系統(tǒng)的光利用率。

　　圖2所示的是一個LED照明系統(tǒng)。光源發(fā)出的光經(jīng)過燈具調(diào)制后投射在目標照明區(qū)域上。照明系統(tǒng)出射的是一個圓形光斑，而用戶需要照亮的是一個矩形區(qū)域。

　　由前面的分析，可得：

　　光源光效=1000/15=67lm/W,

　　燈具效率=650/1000=65%,

　　光利用率=450/1000=45%.

　　所以該照明系統(tǒng)的光效=光源光效*光利用率=67*45%=30lm/W.

　　LED照明系統(tǒng)光效

　　表2出了各部分效率的當前大概情況。從此可以看出當前LED進入普通照明我們所需努力的方向。

　　除了光源光效之外，我們還可以通過提高驅(qū)動器效率和光利用率來提高整個照明系統(tǒng)的光效。

　　首先，從驅(qū)動方面來說。LED光源需要恒流驅(qū)動，驅(qū)動器的效率會影響燈具的總效率。因此，好的LED驅(qū)動器設(shè)計不僅需要滿足特定的電學(xué)要求，而且應(yīng)當具有盡可能高的效率。常用的LED恒流驅(qū)動器有Buck、Boost及Buck-Boost等拓撲結(jié)構(gòu)。

　　另外，光學(xué)設(shè)計也非常重要。LED體積小，接近理論上的“點光源”,這點對燈具設(shè)計師設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的時候非常有利，可以精確地定位發(fā)光點，解決了光源的隱蔽和最終燈具的多樣化問題。另外接近點光源的LED給燈具的配光創(chuàng)造了無限的空間，包括高效率的LED燈具與特種配光應(yīng)用。

　　LED照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計

　　傳統(tǒng)光源的燈具利用效率較低，這是由于以下這兩個原因造成的：1四面發(fā)光，部分光被光源本身擋�。�2發(fā)光點大，不易做光學(xué)設(shè)計，燈具效率不高，且出射光斑不會與要求的有效照射面重合而會浪費部分光；在不同的應(yīng)用下傳統(tǒng)光源的光利用率也不同。相反的，LED的光利用率較高，我們從理論模擬可達到90%.所以，合理的光學(xué)設(shè)計對LED的應(yīng)用非常重要。

　　商品化的白光LED具有內(nèi)置的反射器和封裝樹脂透鏡等，這已經(jīng)形成了一次光學(xué)系統(tǒng)，使得其光輸出具有固定的方式。二次光學(xué)設(shè)計是提高燈具的有效光利用率的必要途徑。

　　具體實現(xiàn)方法分為（如圖3）：

　　A） 按光學(xué)元件分類：

　�。�1）、LED+反光杯

　�。�2）、LED+透鏡

　�。�3）、LED+反光杯+透鏡

　　B） 按投射方式分類：

　�。�1）、單個LED模塊投照

　　（2）、多個LED模塊分區(qū)域投照

　　圖4 是一個LED路燈用光學(xué)軟件tracepro模擬后得到的光斑。這是一個道路照明較好的燈具方式。

　　LED散熱問題

　　LED屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件。我們都知道，對于半導(dǎo)體器件，隨著溫度的變化，其特性會有明顯的變化。對于LED,尤其是大功率LED,結(jié)溫的升高會導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減。當大功率LED用于照明，特別是普通照明領(lǐng)域時，我們必須控制結(jié)溫的升高。隨著半導(dǎo)體工藝和技術(shù)的進步，在實驗室中LED的光效已經(jīng)達到150lm/W,光電裝換效率為20%~30%,這意味著輸入的電能有70-80%都裝換成了熱，從而導(dǎo)致LED溫度上升。

　　結(jié)溫的上升取決于器件的熱阻、封裝，以及燈具的熱沉。因為普通照明用LED的功率往往超過1 Watts,所以散熱問題變得極為重要。對于LED來說，結(jié)溫過高將對器件帶來一系列不利影響，這些影響主要體現(xiàn)在三個方面：

　　首先，結(jié)溫過高將減少LED的外量子效率，從而加速光源的光衰。一般來說，隨著溫度升高，LED的光輸出減少，不同類型的LED衰減也各有不同。

　　圖6是在我們實驗室里測得的光輸出隨環(huán)境溫度變化曲線。我們選用不同廠家的8個LED作為樣品：1-4號的功率2為0.06W,5-8號為1W.樣品分別在3個溫度（-40°，25°，70°）下點亮。經(jīng)過3小時的點燈穩(wěn)定時間，測量輸出光通量和相對光譜能量分布。由實驗結(jié)果可以得到：光通量對環(huán)境溫度（事實上是結(jié)溫）的變化相當敏感，尤其是大功率LED.

　　其次，結(jié)溫過高將導(dǎo)致LED發(fā)出光的主波長的偏移，這將導(dǎo)致兩個后果：

　　1、導(dǎo)致熒光粉與輸出光失配，從而導(dǎo)致光輸出下降。圖7給出了YAG熒光粉的光譜響應(yīng)。YAG熒光粉是白光LED中最普遍使用的熒光粉。可以看出：波長大于370nm時，激發(fā)光譜的響應(yīng)效率將隨波長增大而下降。

　　2、導(dǎo)致輸出光的顏色和色溫的漂移，這兩項都是普通照明的重要指標。

　　最后，結(jié)溫過高將加快器件的老化，減短器件的壽命。圖8和圖9分別給出了市場上常見的某型號LED的期望壽命（B50, L70,即50%的燈光輸出下降到70%）隨結(jié)溫和燈殼溫度的變化情況。

　　綜上所述，可以看出：對普通照明用LED來說，散熱設(shè)計極為重要。當我們評估LED普通照明系統(tǒng)，計算系統(tǒng)光效和光通量時，必須考慮結(jié)溫的影響。

　　普通照明用LED器件的思考

　　產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是市場需求決定的，然后技術(shù)可行性對市場需求所決定的方向進行修正。也就是說，市場的需求對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了方向，但是具體由何種途徑，何種方式達到這個方向，則是由技術(shù)決定的。打個比喻：如果對產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向進行一次投票的話，市場需求對某一方向有投贊成票的權(quán)利，而技術(shù)對某一方向有投反對票的權(quán)利。因此，在思考LED用于普通照明產(chǎn)業(yè)的方向時必須要考慮：普通照明需要什么？

　　我們知道，普通照明需要的是高光效的照明系統(tǒng)，所以光效是LED照明系統(tǒng)重要的指標。

　　文章最后，我們對LED產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品的發(fā)展方向做個分析：

　　（1）假如若干年后商業(yè)化的LED的光效達到150lm/W~200lm/W,LED及其燈具（應(yīng)用）會是怎樣？

　　答案1:多個緊密排列的LED封裝不是合適的方向。

　　1、LED燈具的主要尺寸是散熱器，緊密排列的LED并不能減少燈具的尺寸；

　　2、緊密排列的LED將增加散熱難度；

　　3、與單顆LED相比，緊密排列的LED比單顆LED發(fā)光點大，增加光學(xué)設(shè)計的難度；

　　4、緊密排列的多顆LED會增加眩光。

　　答案2:實用型的單顆LED不是功率越大越好。

　　1、只要LED沒從機理上解決溫度升高出光減少的問題，而大功率的芯片比小功率的芯片散熱更難；

　　2、大功率的芯片如果需要加大芯片的尺寸進而發(fā)光點加大的話，它將增加光學(xué)設(shè)計的難度；

　　3、當然，也不是功率越小越好，以光效高兼顧總光通量為準。

　　答案3:分散排列的多顆LED組合是更合理的普通照明應(yīng)用。

　　這樣一來，燈具總尺寸將更小，燈具光利用率將更高。

　　以上三點，是建立在LED光效在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步提高，但離理論光效仍然有較大距離的基礎(chǔ)上分析的。如果光效達到或接近理論光效如80%以上，以上分析將被部分顛覆。因為，這時候散熱將不是問題，即只有20%的能量需要散熱。但小尺寸有利于光效的分析基礎(chǔ)還在的。

　�。�2）LED產(chǎn)業(yè)在中國具有廣闊前景

　　首先、中國有完整的照明產(chǎn)業(yè)鏈；

　　其次、LED的應(yīng)用如果以多顆組合時，組合的多樣性產(chǎn)生了產(chǎn)品的多樣性，多樣性的產(chǎn)品對中國制造更加有利，這點CFL主要由中國生產(chǎn)就是一個佐證。因此，可以預(yù)計，中國將繼續(xù)成為LED燈具的大國。

　　再者、上游（芯片，外延片）國際領(lǐng)先企業(yè)將進駐中國。中國進行上游的研發(fā)將加速這種過程。