照明級LED能夠提供通用照明應(yīng)用所要求的亮度、效率、壽命、色溫和白點穩(wěn)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(yīng)用設(shè)計的6個基本步驟：
（1）確定照明需求；
（2）確定設(shè)計目標；
（3）估計光學(xué)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率；
（4）計算需要的LED數(shù)量；
（5）考慮所有設(shè)計可能并選擇最佳設(shè)計；
（6）構(gòu)建和評估原型照明。

雖然案例面向室內(nèi)設(shè)計，但是所描述的方法適合所有LED照明應(yīng)用。本文的其余部分依次討論這些設(shè)計步驟。為了更好地說明這些設(shè)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(shè)計步驟不僅針對本例，對所有類型照明都可重復(fù)使用。

步驟五：考慮所有設(shè)計可能并選擇最佳設(shè)計

LED數(shù)計算好之后，考慮滿足設(shè)計目標的所有設(shè)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(shè)計元件一起集成到照明中。

設(shè)計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件來構(gòu)造原始設(shè)計，表7給出了世界某些地域使用的規(guī)則的例子。同時不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設(shè)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(jié)的其余部分對本示例LED照明的各系統(tǒng)(光學(xué)、熱學(xué)和電氣)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。

1、光學(xué)系統(tǒng)選項

（1）裸LED和現(xiàn)有燈反射器

如前所述，現(xiàn)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(xué)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。不過，缺點是會出現(xiàn)多照明陰影效應(yīng)，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(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器

次級光學(xué)器件是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學(xué)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(xué)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(shè)計定制。

每個LED使用一個次級光學(xué)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(yōu)化應(yīng)用，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(fù)雜,所以照明的成本較高。其次，由于光學(xué)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(xué)器件會降低光學(xué)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(xué)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(yīng)。

選項2的缺點是成本較高，并且光學(xué)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(yīng)和美觀度通常決定了光學(xué)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(yīng)。

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。

（4）多源陰影效應(yīng)

多源陰影效應(yīng)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(yīng)。

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

2、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(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)計經(jīng)過驗證，制造商有完整的技術(shù)指標。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標應(yīng)用而優(yōu)化。

（3）定制散熱片

定制方案為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機會，但有幾個缺點。這一選項要求設(shè)計師能利用熱仿真軟件，或者能接觸到有熱設(shè)計經(jīng)驗的第三方機構(gòu)。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(xiàn)成的產(chǎn)品。

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(nèi)照明)。

例子中的LED照明使用熱阻為0.47℃/W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：

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

其中，Tj為LED結(jié)溫；Ta為環(huán)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(shù)×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(nèi)應(yīng)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(jié)溫(可能影響使用壽命)，也可以改進熱系統(tǒng)(Rth b-a)(例如選擇更好的散熱片)。

3、電氣系統(tǒng)選項

（1）現(xiàn)成的LED驅(qū)動器

由于現(xiàn)成LED驅(qū)動器已經(jīng)可以使用了，并且有參考電路設(shè)計，所以，使用現(xiàn)成的LED驅(qū)動器將使設(shè)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(qū)動器效率通常在80%中間范圍。根據(jù)銷售商和應(yīng)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(qū)動器

隨著LED照明的逐漸普及，更多的半導(dǎo)體公司都在將注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化LED設(shè)計。也可選擇與一家這樣的公司就下一代LED驅(qū)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(chǎn)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(qū)動器公司來一起開發(fā)未上市的產(chǎn)品。

（3）定制設(shè)計

對于熱設(shè)計，可以選擇完全定制電氣系統(tǒng)。可能比使用現(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(shè)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(qū)動器公司會一直開發(fā)效率更高且更廉價的驅(qū)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(qū)動器的影響要大。盡快完成產(chǎn)品可能比試圖等電氣設(shè)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.