工控摘要：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(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，但兩者已表現(xiàn)出明顯的優(yōu)劣差異，LED路燈潛能巨大。
　　
　　配光
　　
　　通過光學(xué)設(shè)計(jì)獲得蝙蝠翼型光強(qiáng)分布
　　
　　目前市場(chǎng)上的LED路燈，其光源部分主要分兩種方式：?jiǎn)晤w1W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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還沒有出臺(tái)，但LED路燈的配光在參考傳統(tǒng)光源道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：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(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)主要是通過合適的光學(xué)設(shè)計(jì)以獲得蝙蝠翼型光強(qiáng)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(gè)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(dá)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(jì)思路是不采用單獨(dú)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(jì)波浪形光學(xué)透鏡面罩，利用透鏡面罩來達(dá)到整個(gè)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(jì)特殊形狀的一次光學(xué)透鏡，在LED芯片封裝時(shí)直接安裝，具有體積小、成本低的特點(diǎn)，*符合LED路燈和道路照明要求。
　　
　　隨著封裝技術(shù)的進(jìn)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zui高可達(dá)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(jì)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(qiáng)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(shí)時(shí)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(cè)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(jì)算后保證燈具能輸出*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(shí)時(shí)探測(cè)封裝基板的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED芯片結(jié)溫的間接監(jiān)控，當(dāng)結(jié)溫超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)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1W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(yùn)用在LED路燈上。
　　
　　電源
　　
　　加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電源可靠性設(shè)計(jì)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(gè)共性問題，就是難以保證驅(qū)動(dòng)電源壽命與LED的壽命相匹配。因?yàn)榻涣麟姳仨毥?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(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于LED的理論壽命50000小時(shí)。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(gè)LED路燈系統(tǒng)的壽命必然會(huì)受到電解電容的拖累。因此，制約LED路燈壽命的一個(gè)重要因素就是驅(qū)動(dòng)電源的可靠性設(shè)計(jì)。LED路燈在室外環(huán)境下保證電源的可靠工作，一般需要從率、高功率、長(zhǎng)壽命、過壓過流、隔離、浪涌、過溫、防護(hù)方面、符合安規(guī)和電磁兼容的要求等幾方面進(jìn)行考慮。
　　
　　對(duì)于大功率LED路燈，無論其光源部分采用單顆1W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(dòng)方式是采取恒流驅(qū)動(dòng)。一般通行的電路結(jié)構(gòu)又由一個(gè)恒壓源提供若干個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行兩種。
　　
　　對(duì)于采用單顆1W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(duì)成熟；而相配的恒流源部分為直流降壓型，效率能達(dá)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(dú)立控制，保證燈具整體發(fā)光一致，但是成本會(huì)稍高一點(diǎn)。
　　
　　對(duì)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(shì)，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(shí)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(gè)，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(huì)是以后LED路燈電源驅(qū)動(dòng)主流發(fā)展方向。
　　
　　挖掘電池潛力延長(zhǎng)太陽能路燈壽命
　　
　　隨著太陽能這一新能源的發(fā)展，各地的太陽能LED路燈也逐漸興起，太陽能電池的低壓直流、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)正好與LED相匹配。但是太陽能LED路燈系統(tǒng)中依然存在壽命瓶頸，就是鉛酸蓄電池。一般的鉛酸蓄電池的壽命為500個(gè)充電循環(huán)，大概在2年左右，約5000小時(shí)。中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的智能充放電智能控制器，可以使得鉛酸蓄電池的壽命達(dá)到1500次循環(huán)。
　　
　　傳統(tǒng)的太陽能路燈充電系統(tǒng)中，通常經(jīng)過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，將導(dǎo)致太陽能板的工作點(diǎn)偏移zui大功率點(diǎn)(MaximPowerPoint，簡(jiǎn)稱MPP)而未有效利用太陽能板的可輸出功率，同時(shí)容易使蓄電池因供能不足而長(zhǎng)期處于欠充滿狀態(tài)，造成壽命縮減。中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的太陽能LED路燈系統(tǒng)利用太陽追蹤(SunTracking)和zui大功率追蹤(MPPTracking，即MPPT)技術(shù)，可使太陽電池的輸出穩(wěn)定在MPP附近，從而有效利用了太陽能板可輸出的zui大功率。
　　
　　智能調(diào)光系統(tǒng)靈活調(diào)整光輸出降低能耗
　　
　　傳統(tǒng)高壓鈉路燈，只能實(shí)現(xiàn)小范圍的調(diào)光控制，比如關(guān)閉一側(cè)或間隔關(guān)閉路燈，不可避免地帶來照明形態(tài)的改變，容易造成安全隱患。LED路燈則可實(shí)現(xiàn)0-*連續(xù)調(diào)光，可根據(jù)環(huán)境光照及交通狀況靈活調(diào)整光輸出，在保證照明質(zhì)量的同時(shí)降低不必要的功耗。中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心開發(fā)的LED路燈的智能調(diào)光系統(tǒng)能方便地控制LED的工作狀態(tài)，并通過改變驅(qū)動(dòng)電流來控制其亮度。比如在進(jìn)入下半夜后，通過降低整燈電流或關(guān)閉燈具內(nèi)部分LED發(fā)光組件來達(dá)到低功率運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的效果。
　　
　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心還把Zigbee無線通訊控制技術(shù)應(yīng)用在LED路燈系統(tǒng)上。Zigbee無線控制系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種容易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議棧簡(jiǎn)單緊湊、省電、可靠、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。Zigbee收發(fā)模塊集成在每一個(gè)LED路燈上，并通過接力的方式，把所有的信息匯集在終端上，從而實(shí)現(xiàn)在終端對(duì)每個(gè)LED路燈的運(yùn)行情況進(jìn)行有效的監(jiān)控，發(fā)揮系統(tǒng)控制、故障排除和防盜的功能。
　　
　　散熱
　　
　　優(yōu)化散熱和熱管理控制系統(tǒng)
　　
　　LED在正向電壓下，電子在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下克服p-n結(jié)的電場(chǎng)，由n區(qū)躍遷到p區(qū)并與p區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于躍遷到p區(qū)的自由電子具有高于p區(qū)價(jià)電子的能量，復(fù)合時(shí)電子回到低能量態(tài)，多余的能量以光子的形式釋放，輻射出來的光還需經(jīng)過芯片本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界。
　　
　　綜合考慮電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素，對(duì)于100lm/W的LED只有約30％的電能轉(zhuǎn)化為光能，其余的能量則轉(zhuǎn)化為熱能，使LED芯片溫度升高。對(duì)于LED芯片，如果熱量不能有效散出，會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉效率下降。
　　
　　隨著p-n結(jié)的溫升，LED芯片的發(fā)射波長(zhǎng)將發(fā)生紅移，導(dǎo)致YAG熒光粉激發(fā)效率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度降低，白光色度漂移。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升。器件溫度每上升2℃，可靠性將下降10％。為了保證器件的壽命，一般要求p-n結(jié)的結(jié)溫在90℃以下。當(dāng)多個(gè)LED密集陣列或集成封裝時(shí)，系統(tǒng)散熱問題更嚴(yán)重。因此解決散熱問題已成為L(zhǎng)ED路燈的先決條件。
　　
　　如何提高LED路燈的散熱能力是LED封裝和LED路燈設(shè)計(jì)的核心問題。LED路燈散熱問題分為芯片p-n結(jié)到外延層；外延層到封裝基板；封裝基板到外界環(huán)境三個(gè)層次。這三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成了熱傳導(dǎo)的通道。針對(duì)LED的散熱難題，中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心分別以下各個(gè)層面對(duì)散熱和熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　
　　芯片p-n結(jié)到外延層的散熱：在氮化鎵材料的生長(zhǎng)過程中，改進(jìn)材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)，獲得高質(zhì)量的外延片，提高器件內(nèi)量子效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生，加快芯片p-n結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)。
　　
　　外延層到封裝基板的散熱：在芯片封裝上，采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、共晶焊封裝、金屬線路板結(jié)構(gòu)。在器件封裝上，選擇合適的基板材料，比如金屬印刷電路板(MC-PCB)、陶瓷、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的封裝基板，以加快熱量從外延層向封裝基板散發(fā)。
　　
　　封裝基板到外界環(huán)境的散熱：目前的LED路燈一般是將大功率白光LED通過回流焊的方式陣列焊接在金屬封裝基板上，然后再把金屬封裝基板緊密安裝在大體積的鋁、銅材料的散熱翅片上。大功率白光LED產(chǎn)生的熱量通過金屬封裝基板傳遞到散熱翅片上，利用自然對(duì)流或人為強(qiáng)制對(duì)流的方式達(dá)到散熱的目的。
　　
　　中山大學(xué)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)研究中心針對(duì)大功率集成封裝光源模組的熱量大而集中的特點(diǎn)，將大功率集成封裝光源模組安裝在均溫板上，利用均溫板的快速擴(kuò)散熱量的性能將LED產(chǎn)生的熱量快速橫向擴(kuò)散；在散熱翅片部分還采用熱管（直型熱管、回路熱管和脈沖熱管）來降低加強(qiáng)熱傳導(dǎo)和降低熱阻；在LED路燈的腔體中產(chǎn)生人工強(qiáng)制對(duì)流的方式來加強(qiáng)對(duì)流散熱。
　　
　　綜上所述，引導(dǎo)LED路燈發(fā)展的技術(shù)支撐將體現(xiàn)在基于共晶焊技術(shù)的大功率集成封裝光源模組方式；一次光學(xué)透鏡；高顯色指數(shù)和色溫可調(diào)的白光智能控制系統(tǒng)；長(zhǎng)壽命驅(qū)動(dòng)電源；LED路燈結(jié)溫智能控制系統(tǒng)；Zigbee無線通訊控制技術(shù)；基于熱管技術(shù)的系統(tǒng)散熱和熱管理控制系統(tǒng)等幾個(gè)方面。
　　
　　隨著能源價(jià)格的高企、能源危機(jī)的加劇和人類環(huán)保意識(shí)的提高，LED照明憑借其節(jié)能和環(huán)保的特點(diǎn)受到了越來越大的關(guān)注。目前，LED在路燈照明和室內(nèi)照明等普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用剛處于起步階段，受2008年北京奧運(yùn)會(huì)和2010年上海世博會(huì)的推動(dòng)，大功率白光LED的發(fā)光效率即將突破150lm/W將是LED進(jìn)入普通照明的時(shí)機(jī)，隨著單位流明價(jià)格的降低，LED路燈將全面取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)路燈。屆時(shí)，的LED路燈的需求將達(dá)上億只，僅中國(guó)的需求就要達(dá)到上千萬只，產(chǎn)值將達(dá)上千億元。