基于LED的高棚灯具的设计挑战与解决方案

虽然住宅应用的固态照明成为头条新闻，但商业和工业高棚照明应用的独特定位是利用LED的优势。高棚照明由天花板安装的灯具组成，设计用于照亮距离灯具15至25英尺的表面。使用高棚照明的环境远远超出仓库和工厂车间，包括机场大厅，体育场馆和杂货店等公共场所。通常，设施每天24小时都在运行，因此LED可以在运营成本和最小化停机时间方面节省大量成本。为了开发利用这些特性的灯具，照明设计师不仅需要选择合适的发射器，还必须采用系统级方法来解决以LED为中心的挑战，如驱动器设计和热管理。

Designlights联盟¹已为非住宅固定装置制定了以下规范。

高棚/低棚灯具高棚过道照明最小光输出（lm）10,000 10,000区域流明强度≥30％：20-50°≥50 ％：20-50°
≥30％：0-20°最低灯具效率（lm/W）70 60允许的相关色温≤5,700K≤6,500K

表1：非住宅灯具的照明规格。

设计挑战

高棚照明给设计师带来了许多挑战。高输出流明规格需要大量的LED阵列，这会产生大量的热量。驱动程序拓扑必须能够处理数百个设备，同时保持轻量，经济且尽可能高效。靠近天花板，通常靠近HVAC管道，固定装置可能承受高于正常的环境温度，几乎没有空间进行对流冷却。此外，许多设施对光分布有非常具体的要求，这可能需要光束整形元件。

高棚照明的最初趋势是朝向更少数量的高亮度LED。后来，设计人员开始切换到非常大的低功率LED阵列，降低了成本和散热。然而，这些好处付出了代价：使用更多的LED会使驱动器设计复杂化并增加故障点。目前，趋势似乎正在回归使用高亮度设备，如Cree的XM-L。 XM-L在100 lm/W时产生高达1,000 lm的压力。它的热阻为2.5°C/W，简化了热量管理，125°视角可以更容易地产生所需的光分布。

确定达到目标所需的器件数量来自灯具Lf的流明，用户需要首先确定光学和热损耗后Lreq所需的总流明：

Lreq = Lf/（EoET）

其中Eo是光学效率，ET是热效率但是，仅仅选择LED的数量是不够的。

特别是对于高棚照明应用，必须将灯具设计作为系统级任务，从一开始就考虑电源和驱动器设计，光学设计和热管理。例如，在他们最终完成LED阵列之后推迟考虑当前光源的设计人员冒着无法找到合适电子设备的风险，这种错误会增加成本并延迟上市时间。

阵列可以由两种类型的驱动程序驱动：集成，单级驱动程序和双级驱动程序。单级驱动器在一个单元中集成了AC/DC电源和LED驱动器。例如，来自Recom Power的RACD60系列单级LED驱动器可以产生高达4.2 A的电流，精度为±5％，可驱动多达6个XM-L器件。这些单元可用作恒定电压或恒定电流源，并提供优于0.9的功率因数校正。

虽然单级驱动程序具有简单的优点，但它们可能很大。两级设计可为尺寸和重量都很重要的高棚灯具提供更好的解决方案。两级设计涉及连接到一个或多个LED驱动器的单独DC电源或变压器。该方法提供更严格的电流控制，提供精确的输出，效率高于90％。例如，Recom的RCD48系列驱动器可以产生高达1.2 A的输出电流，效率高达96％。与RACD60开放式框架版本相比，32.6 x 16.7 x 11.2 mm设备能够提供高达60 V的电压，小到足以与LED集成在电路板上，尺寸为101.6 x 50.8 x 20.0 mm。两级驱动器的主要缺点是成本。

热管理仍然是该技术面临的最大挑战之一。 LED可以消耗多达50％的输入功率作为热量，而驱动器电子设备可以消耗多达20％的功率。如果组件在电路板上包装得太紧或者电路板没有与外包装紧密耦合，则热量会迅速增加。高棚固定装置通常安装在天花板上，通常靠近HVAC管道。根据操作和季节，环境温度可以飙升至55°C。

集成散热器等散热管理工具至关重要。选择能够在应用所呈现的条件下存活的组件也很重要。例如，Lumex公司的TitanBrite 10 W在1A驱动电流下平均产生600流明，并且可以承受高达90°C的工作温度（图1）。

图1：在25°C时至少输出490 lm，TitanBrite 10W可在很宽的温度范围内工作。 （由Lumex提供。）

Cree LED允许用户通过温度焊点结监测器件的热量，并且与器件的结温有很好理解的关系。通过将热电偶连接到焊点结点，用户可以监控其器件的结温。

调光功能可用于热保护。通过增加一个简单的热敏电阻电路，可以设置一个系统，当温度上升到一定水平以上时，减少驱动电流到灯具中的一个或多个LED灯串（图2）。调光元件成本为1美元或2美元，这对于灯具来说是可以接受的，可以从几百美元到超过1000美元。

图2 ：在驱动电路中添加热敏电阻（左）会导致热量超过一定水平时自身降速（右）。电路中电阻的典型值在25°C时RT =100kΩ。要在75°C下开始降额，请使用R1 =47kΩ;要在85°C时开始降额，请使用R1 =33kΩ。 （由Recom Power提供。）

基于LED的灯具具有很大的灵活性，这对于高架应用非常重要。在运输和接收设施中，显色性很可能无关紧要，但在销售家居用品或服装的零售盒商店中必不可少。随着核心阵列中LED的变化，相同的灯具可用于在杂货店生产部门展示水果和蔬菜，并照亮机场到达大厅。

光学设计提供了另一种自由度。例如，在仓库应用的情况下，照明图案需要是长而矩形的，而不是圆形的，以便将输出集中在过道中而不是浪费流明照亮货架顶部的流明。即使对附近的灯具来说，这也是一个困难的伎俩;对于位于20英尺高处的高棚灯，这是一项重大挑战。

高强度放电灯和荧光灯等现有技术可以各向同性地发光。今天的LED主要是在感兴趣的方向上发光，但远没有过去那么紧密。例如，欧司朗光电半导体的OSLON Square在120°视角下可提供200流明的亮度。通过调整灯具中的LED模式并添加光束整形光学元件，照明设计师可以创建所需的精确光分布，如Cree的这种高架参考设计所示（图3）.2更好的是，光束整形根据应用的不同，可以将光学器件切换出来以产生不同的分布或完全停止。

图3：测试显示原型生成的输出分布（左） LED高棚灯具²无（中心）和（右）光束整形光学元件。 （由Cree提供。）

结论

基于LED的高棚灯具设计合理，可为商业和工业应用提供巨大优势。通过在设计过程开始时考虑电气，热学和光学要求，照明工程师可以开发出能够以最低价格提供性能和灵活性的高效产品。