照明級LED能夠提供通用照明應用所要求的亮度、效率、壽命、色溫和白點穩定性（white-point stability），能夠極大地降低總體擁有成本（TCO）。本文介紹了采用大功率LED的照明應用設計的6個基本步驟：
（1）確定照明需求；
（2）確定設計目標；
（3）估計光學系統、熱系統和電氣系統的效率；
（4）計算需要的LED數量；
（5）考慮所有設計可能并選擇最佳設計；
（6）構建和評估原型照明。

雖然案例面向室內設計，但是所描述的方法適合所有LED照明應用。本文的其余部分依次討論這些設計步驟。為了更好地說明這些設計概念，本文給出了一個LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計算例子。本設計步驟不僅針對本例，對所有類型照明都可重復使用。

步驟五：考慮所有設計可能并選擇最佳設計

LED數計算好之后，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，比傳統照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規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，表7給出了世界某些地域使用的規則的例子。同時不要忘記，有許多不同規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。本節的其余部分對本示例LED照明的各系統(光學、熱學和電氣)的3個選項進行說明。對每個系統，給出了最佳選項的選擇指南。

1、光學系統選項

（1）裸LED和現有燈反射器

如前所述，現有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選擇不使用次級光學器件。本選項可使成本最低，并且系統光損失最小。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。不過，缺點是會出現多照明陰影效應，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，作為點照明（spot lighting）優化應用，而不是為普通照明優化。

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的功效。

（3）裸LED、現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，并且光學系統的功效低。由于漫射器只能發散光，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，會發現單個的LED，而使用選項3的用戶只能看見一個發散而均勻的照明。

（4）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，表面出現多個陰影的現象。大多數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。

2、熱系統選項

（1）現有燈具罩

最低成本選項是將現有設計的燈具罩作為LED照明的罩和散熱片來重新使用。新照明設計顯然不能選擇這一選項。另外，多數現有罩都是鋼制的，熱導性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

（2）現成的散熱片

另一個選項是購買現成的散熱片。這種現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化。

（3）定制散熱片

定制方案為應用提供了優化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。這一選項要求設計師能利用熱仿真軟件，或者能接觸到有熱設計經驗的第三方機構。磨具和制造費用可能會推高定制散熱片的單位成本，使其高于現成的產品。

目標照明的成本、可用的散熱片開發時間以及目標最高環境溫度常常決定了熱系統的選擇。一般來說，在降低成本比最高環境溫度更重要的情況下,選項2更好。在最高環境溫度更重要的情況下, 選項3更優(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的現成散熱片。使用這一散熱片熱阻值，最高環境溫度可以用下式計算：

Tj = Ta + (Rth b-a×Ptotal) + (Rth j-sp×PLED)

其中，Tj為LED結溫；Ta為環境溫度；Rth b-a為散熱片的熱阻；PLED為單個LED的功耗，PLED = 工作電流×該工作電流下的典型Vf；Ptotal = 總功耗 = LED數×PLED；Rth j-sp = LED封裝熱阻。

示例中的照明的值為：
Tj,MAX=80℃
Rth b-a=0.47℃/W
PLED=0.35A×3.3V=1.155W
Ptotal=16×1.155W=18.48W
Rth j-sp=8℃/W
Ta MAX=Tj MAX-(Rth b-a×Ptotal)-(Rth j-sp×PLED)
= 80℃- (0.47℃/W×18.48W)-(8℃/W×1.155W)
= 80℃- 8.6856℃-9.24℃
= 62℃

對本室內應用，例中照明的最高環境溫度62℃可以接受。對需要最高環境溫度更高的工作環境，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(Rth b-a)(例如選擇更好的散熱片)。

3、電氣系統選項

（1）現成的LED驅動器

由于現成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。缺點是現有LED驅動器效率通常在80%中間范圍。根據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，等待產品開發可能推遲LED照明的開發。另外，小一些的公司可能無法找到驅動器公司來一起開發未上市的產品。

（3）定制設計

對于熱設計，可以選擇完全定制電氣系統。可能比使用現成零件達到的效率高，但有許多潛在缺點。開發和認證批準由設計師承擔。即使在開發之后，每單位成本也可能高于現有方案。另外，不要忘記，在LED照明開發期間，驅動器公司會一直開發效率更高且更廉價的驅動器。

可以利用的開發資源和目標效率通常決定了電氣系統的選擇。在目前的大功率LED環境下，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。

閱讀詳細指南，請訪問http://www.cree.com/products/pdf/LED_Luminaire_Design_Guide.pdf.