照明設計師可以原諒認為選擇燈具的LED數量很簡單，但情況并非如此。雖然制造商在給定的結溫和正向電壓/電流下為其器件提供準確的發光度數據，但任何給定應用中的實際輸出都會受到許多其他因素的影響。

通過了解這些因素，設計人員可以在設計過程的每個階段都做出深思熟慮的選擇，以確保產品中使用的每個LED在光度，功效，壽命和成本之間實現最佳平衡。精心設計將優化給定規格所需的LED數量，從而降低產品的復雜性，尺寸和成本。本文將引導讀者完成設計過程的主要步驟，并描述每種產品對最終產品性能的影響。

滿足基準

LED照明產品分為兩部分營地：改造，設計師面臨的挑戰是將LED的優勢帶到現有的外形尺寸，如流行的MR16，以及設計師獲得免費的那些提出一個完整的燈具，如光引擎加夾具。第二種選擇通常比改造產生更好的電氣，光學和熱性能，因為設計者不受現有夾具形狀因子的限制。本文重點介紹此選項。

在大多數情況下，燈具設計用于替換現有照明或針對標準應用。每個案例都為設計人員提供了新產品電氣和光學性能的基準，從而使設置發光度，功效（在本文中定義為光通量（lm）/電功率（W））和壽命變得更加容易。和成本設計目標。一旦確定了這些目標，設計人員就可以縮小他們選擇（和數量）LED以及滿足這些目標所需的相關LED驅動器的范圍。 LED選擇是一個關鍵的設計決策，因為它直接影響發光度，功耗，發熱量，復雜性，尺寸和成本。

考慮兩位設計師，負責開發一種額定輸出為900流明的新燈具（與傳統的白熾燈60 W燈泡相同）。在第一種情況下，愛麗絲選擇了一款高端Cree冷白（5000 K）LED，以此作為產品的基礎。 Cree是一家領先的LED制造商，其產品已在全球數百萬應用中得到驗證，因此這是一個明智的選擇。 Cree X-Lamp?XQ-E的結溫為25?C，正向電壓/電流為2.9 V和350 mA，可提供118流明（lm）的流明。

根據Cree的數據表，LED在此工作點的功效為116 lm/W.鮑勃采取了不同的方法，選擇使用Lumileds的中功率LED，即冷白色（5000 K）Luxeon?3535L。雖然沒有提供高功率LED的亮度，但這種中檔設備的價格非常高，可以提供更多的lm/$。 Lumileds數據表顯示，3535L在3.05 V和100 mA下輸出42 lm，在此工作點的功效為138 lm/W.

雖然根據數據表中給出的標稱輸出確定提供900 lm輸出所需的LED數量相對簡單（在這種情況下，8個Cree LED和22個Lumileds設備），設計師需要在計算最終數量之前考慮其提出的產品的其他特性對輸出的影響。

首先是夾具本身的設計。無論LED如何定位在裝置中，一些光線在從燈具中逸出之前都會被吸收。也就是說，LED燈在這方面優于其他形式的照明，因為光通常直接從芯片的前部發射，限制了多少誤入歧途。相比之下，緊湊型熒光燈泡在所有方向發光，包括直接回到燈具本身。 LED燈具可能會采用反射杯來減少吸收，但有些損失是不可避免的。

燈具的效率取決于光源的位置，燈具外殼的形狀和燈具中使用的材料。效率可以表示為“利用系數”，并且是發射流明實際到達工作表面的百分比的度量。通常，對于精心設計的LED產品（即在所需方向上使用高反射率的反射杯），以及類似設計良好的CFL裝置的50％至60％（圖1），這一比例為75％至85％。

圖1：與CFL等光源（右）相比，LED通常向前發光（左），提高了它們的利用率（圖片提供） Cree）

一些LED燈具設計將使用二次光學器件，例如，修改光束圖案或漫射光線以獲得更微妙的照明效果。二次光學器件將再次吸收LED發射的一些光子，典型效率在85％至95％的范圍內。為了便于討論，我們假設Alice和Bob都做好了設計夾具的工作，各自產品的利用率系數為85％，二次光學系統的效率為95％。這為（85 x 95）/100 = 80.75％的設計提供了光學效率。

熱管理

LED熾熱，熱量有三個主要影響：光度降低，功效惡化，壽命縮短（參見“了解高亮度LED褪色的原因”）。憑借良好的散熱設計（請參閱庫中有關此主題的大量文章，包括“LED熱管理的基礎知識”），應該可以將LED的結溫限制在80?到100?C之間。這是一個很好的基準，因為高于此溫度范圍的操作會顯著增加早期故障的風險。

許多制造商的“標題”亮度在25?C時引用，因此有必要深入研究數據表檢查升高的工作溫度對光度的影響程度。假設Alice的設計在結溫為90?C時運行，Cree數據表顯示，與25?C相比，LED將產生80％的輸出。同樣，Lumileds 3535L LED的數據表顯示，在55?C時的發光度是25?C時的亮度的88％（圖2）。

< p>圖2：Lumiled的LUXEON 3535L的相對亮度與結溫的關系圖表明，在55?C時的發光度是25?C時的88％。綠線對應Bob的選定LED。 （圖片由Lumileds提供）

在使用制造商引用的正向（驅動）電壓和電流數據時，需要采取類似的措施。亮度與正向電壓/電流成正比，隨著燈芯亮起趨于增加。因此，對于設計者來說，增加驅動電壓/電流以最大化LED的發光度并因此減少給定輸出所需的數量可能是誘人的。雖然這是一種可接受的策略（參見圖書館文章“最大化LED亮度以降低系統成本”）但它并非沒有缺點。

首先，雖然它們發出更多光，但LED在更高的正向電壓/電流下效率會降低。其次，更高的正向電壓/電流產生更多的熱量（如上所述）抵消了一些光度增益，同時縮短了LED的壽命。正向電壓/電流的選擇再次在輸出，功效和壽命之間進行權衡。

在愛麗絲的情況下，產品規格要求低功耗和長壽命，因此她選擇限制正向電壓/電流以最大化功效并保持結溫降低而犧牲光度。對于Alice來說，Cree LED最有效的工作點是2.85 V/300 mA，此時每個器件在數據表中引用的350 mA測試電流下產生85％的發光度。 （注意，當結溫升高時，效率會降低。在這種情況下，Alice已經考慮到這一點，假設她的設計將在90° o C的結溫下運行。）Bob的規范要求最大化發光度（在他指定的結溫范圍內）以犧牲功耗為代價，因此他選擇以相對較高的正向電壓/電流3.2 V/150 mA為其芯片供電。此時LED的發光度是100 mA測試電流下發光度的150％（圖3）。 （另請參閱TechZone文章“優化LED性能”。）

圖3：Lumiled的LUXEON 3535L相對于正向電流的相對亮度（藍線）。為了獲得最大亮度，Bob選擇以相對較高的正向電壓/電流3.2 V/150 mA為芯片供電，在100 mA的測試電流下LED亮度為其發光度的150％。

考慮到設備參數如何影響燈具的亮度，Alice和Bob現在可以計算出滿足900 lm規格所需的LED數量。

最后一個要點是：制造商傾向于在數據表摘要中列出其設備的典型輸出，但更重要的數字是最小亮度。通過設計到最小值，照明工程師確保使用帶有訂單代碼的LED制造的所有燈具都符合規格。

Alice的Cree X-Lamp X-QE LED數據表注意到典型值為118 lm ，但最小值列為114 lm。同樣，Bob的Lumileds 3535L LED的典型輸出功率為42流明，但最低為36流明。

從每個LED的標稱輸出114 lm開始，Alice需要降低設備的亮度，以考慮所選的正向電壓/電流（2.85 V/300 mA）（114 lm x 0.85 = 97 LM）。由于工作結溫為90?C（97 lm x 0.8 = 78 lm），需要進一步降額以補償損耗。愛麗絲現在必須考慮到她的燈具81％的光學效率，這要求她需要在源頭將輸出提高到1115流明，以確保從產品中釋放出900流明。因此，所需的LED數量為1115 lm/78 lm = 15.

Bob的類似計算為36 lm x 1.5 = 54 lm，然后54 lm x 0.88 = 48 lm，最終結果為1115 lm/48 lm = 24個LED。 （請注意，初始“粗略”計算表明分別需要8個和22個設備。）

考慮電效率

雖然不直接影響光度，但同樣重要的是設計人員考慮了效率（定義為供電（W）所消耗的功率（W）/功率輸出（W），所選電源的無量綱數字（以百分比表示）（特別是如同在Alice的情況下，燈具的關鍵設計參數是低功耗）。 LED的功效將決定電源輸出每瓦特產生多少流明，但電源效率對燈具的整體功耗有很大貢獻。

考慮德州儀器（TI）的LM3406HV，這是一種流行的開關電源，用于以恒定電流驅動高功率LED。該降壓（“降壓”）穩壓器能夠在6至75 V的輸入電壓下工作，并可驅動多達5個串聯LED，最大輸出電流為1.5 A.

LM3406HV的效率受兩個關鍵特性的影響：串聯的LED數量和輸出電流。鏈中有一個LED，驅動器的效率為83％，為五個設備供電時上升到95％以上（圖4）。

同樣，峰值效率在750 mA（93％）的輸出電流下發生，盡管在300 mA至1.5 A輸出電流范圍內它超過91％。如果Alice為她的燈具選擇了三個LM3406，每個驅動五個Cree LED串聯在她選擇的2.85 mA/300 mA工作點，每組5個LED將消耗大約4.3 W（忽略非LED電壓下降）。電源工作效率約為91％，總系統功耗約為（3 x 4.3 W）14 W，整體燈具效率為900 lm/14 W = 64 lm/W.

圖4：TI LM3406 LED驅動器的效率隨著串聯LED的增加而增加。

結論

它可以是全部LED制造商的產品標題數據太容易被人們所接受。雖然通常是準確的，但這些數字通常受到營銷部門的需求的影響，并且是在LED在理想條件下運行時得出的。這些條件很少考慮照明設計者通常操作的空間，熱，電和成本限制。實驗室中的LED與消費產品中的相同設備之間的亮度衰減可能會被標記。

然而，通過遵循一種考慮到光損失發生的簡單方法對于燈具設計的物理方面及其操作特性，可以直接計算實際產品的發光度，以確保合并足夠的LED，使產品符合其規格。好消息是，雖然計算所需的信息可能不會出現在數據表的第一頁上，但有信譽的LED制造商確實在產品的詳細描述中提供了這些信息。