隨著LED 技術、物聯網技術及無線通信技術的發展，LED 照明顆粒以其無污染、壽命長、指向性好及便于運輸等優點逐步發展到商業化階段。由于我國LED 產業發展的不均衡以及部分相關工程人員LED 專業知識的欠缺，致使盲目使用LED 照明顆粒以及LED 照明系統設計的不合理現象的出現。從LED 照明顆粒原理及特點入手，結合工程實踐經驗討論了LED 照明系統設計流程及注意事項，給出了解決相應問題的建議。
隨著我國對于半導體照明技術的逐步重視，2003 年6 月國家半導體照明產業工程正式啟動，2007 年12 月科技部和國家外國專家局聯合批準了33 家單位建立國家級國際聯合研究中心，中科院半導體所成為其中的“國家級半導體照明國際聯合研究中心”。直至2008 年7 月，國家半導體照明工程協調領導小組第六次工作會議的圓滿結束都說明了半導體照明技術的研究和應用對于進一步落實《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》有著重大意義，同時也為照明技術的發展指明了方向。
2009 年10 月12 日，國家發改委、科技部、工業和信息化部等六部委聯合制定《半導體照明節能產業發展意見》，提出“到2015 年，半導體照明節能產業產值年均增長率在30% 左右，產品市場占有率逐年提高，功能性照明達到20%左右，景觀裝飾等產品市場占有率達到70% 以上”等目標。特別是物聯網技術、無線傳感器網絡技術及智能電網等綜合感知節能減排控制系統應用實踐，使得面向節能型的智能LED 照明控制系統應用于智能樓宇、智能電器及交通照明等領域。北京2008 年第29 屆奧運會和2010年上海世博會對LED 產業的發展做出了完美的詮釋，如圖1、圖2 所示。我國2008年LED 路燈數量為60 萬盞，預計2011 年將快速增長至500 萬盞，年復合增長率將達到102. 7%。預計至2013 年，中國LED照明市場應用于路燈的LED 市場規模年均復合增長率將達到38. 8%，用于景觀照明的LED 市場規模年均復合增長率將達到21. 7%。
一、LED 照明顆粒原理及特點
LED 即發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED 的核心結構是一個半導體的晶片，晶片的一端附在支架上，一端為負極，另一端連接電源的正極，并將整個晶片用環氧樹脂（ 膠） 封裝起來。
圖3 LED 結構示意圖
LED 結構如圖3 所示，基本結構包括： 環氧樹脂、晶片、金線、銀膠及支架。環氧樹脂的作用是保護LED 的內部結構，添加不同材料或塑造形狀可改變LED 發光二極管的發光顏色、亮度及角度。晶片是LED 的主要組成材料，半導體晶片由兩部分組成： 一部分是P 型半導體，在它里面空穴占主導地位； 另一部分是N 型半導體，在此處主要是電子。
當這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P － N 結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P 區，在P 區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，而光的波長也就是光的顏色是由形成“P － N 結”的材料決定的。LED 中金線用于連接晶片焊墊（ PAD） 與支架，并使其能夠導通； 銀膠起到固定晶片和導電作用； 支架是由支架素材經過電鍍而形成。
LED 相對于白熾燈、熒光燈等傳統光源的優勢不僅體現在發光質量方面，在其生產、制造及易用性方面都大大得到改善。相對于老一代發光設備，LED 的特點主要體現在以下幾個方面：
1） LED 為環氧樹脂包裹結構，同時元器件封裝體積一般較小，無需考慮將燈管內部空氣抽取再注入惰性氣體，因此在抗振動、抗沖擊性方面具有良好的性能，為生產、運輸及安裝等各個環節提供便利。
2） LED 的光線能量集中度高，指向性好，集中在較小的波長窗口內，純度高，亮度衰減比傳統光源低很多。
3） LED 器件屬于固體冷光源，由于環氧樹脂封裝使得燈體內部沒有易于松動的結構，不存在燈絲發光易燒毀、熱沉積等缺點，普遍使用壽命在5 萬～ 10 萬h 之間，即使頻繁開關也不會影響到使用壽命。
4） LED 在生產過程中不添加“汞”，廢棄物可回收，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低并且無頻閃、無輻射，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。
5） LED 響應時間非常快，在微秒級別。
6） LED 使用低壓直流電源即可驅動，超低功耗（ 單管功率為0. 03 ～ 1 W） ，對使用環境要求較低。
7） LED 可利用紅、綠及藍三基色原理，在計算機技術控制下使三種顏色具有256 級灰度并任意混合，即可產生16 777 216 種顏色，形成不同光色的組合，實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。
二、LED 照明系統設計流程及注意事項
LED 照明系統設計的基本流程以及注意事項有以下幾點。
?。?1） 結合應用環境確認照明需求
由于現存的大部分照明燈飾基本都屬于傳統光源的范疇，如果全部將其丟棄而搭建全新的LED 照明系統將會是極大的浪費，因此客觀地分析現存燈飾的光學結構，結合LED 的照明特點以及實際應用成本考慮是否替換或改進。
部分傳統光源采用經燈罩內部反射后再投射到路面的光學照明結構，這種結構源于傳統光源屬于全指向性光源，這樣在其燈罩內部會造成不同程度的光學效率軟降低，使用指向性較好的LED 光源就可以避免此類問題的發生。將反射體設計、光學透鏡設計、高可靠的LED 電源設計及野外防雷電感應等關鍵環節納入到照明需求論證方案中進行論證。
?。?2） 分析系統指標得出設計目標
在確認照明需求的前提下，計算總體光照需求以及配套設備（ 燈桿、燈頭以及太陽能光伏系統等） 的功耗，根據分析所得的環境參數選擇驅動、控制器件等級、殼體材料硬度以及柔韌度等參數。
由于我國已成為繼美國之后的世界第二大電力消費大國，對于用電緊張的地區需要考慮是否引入太陽能光伏供電系統，對于太陽能板的安裝角度問題可以采用通過多類型傳感器融合數字信號跟蹤算法、利用緯度大致估計傾斜度等方法，如下表所示。
表1 太陽能板安裝傾斜度緯度對照表
?。?3） 參照元器件參數確定使用類型
結合元器件參數指標，選擇不低于最低指標要求的電子元器件，由于LED 光學照明系統屬于熱量影響光輸出的特殊系統，因此需要確認LED的驅動電流和結溫，這個環節需要實際測量而不能完全依賴技術手冊。
LED 照明測試參數一般包括光通量（ 單位時間內光源輻射產生視覺響應強弱的能力，單位是流明） ; 照明效率（ 單位是流明每瓦） ; 相關色度（ 與具有相同亮度刺激的顏色最相似的黑體輻射體的溫度，單位是開氏度） ; 顯色指數，白熾燈的顯色指數定義為100，視為理想的基準光源。標準測試系統以8 種彩度中等的標準色樣來檢驗，比較在測試光源下與在同色溫的基準下此8 種標準色樣的偏離程度，以測量該光源的顯色指數，取平均偏差值Ra20 ～ Ra100，以Ra100 為最高，平均色差越大，Ra 值越低。低于Ra20 的光源通常不適于一般用途。
由于LED 自身的特點，要有效控制LED 的工作電流，同時降低最高工作環境溫度，否則將縮短LED 的使用壽命。
（ 4） 結合實際亮度計算LED 數量及組合方式
根據不同的驅動電路驅動負載能力和LED 實際流明量計算出需要的LED 數量。同時需要注意，驅動電路的電氣損失會降低總體照明效果，同時將輸入功率轉化為熱量，而且驅動器的效率會隨負載變化而變化，因此不能隨意改動設計方案的負載數量或連接方式。
在選取LED 顆粒時，由于各個廠家的制造工藝的差異致使各個LED 發光強度、驅動電流、承受最大電流以及發熱程度有所差異，容易造成某個LED 的損壞而導致整個照明系統的壽命縮短，因此建議采用動態驅動電路控制LED 陣列，同時盡量采用同廠家同批次的LED 顆粒。
在使用陣列LED 時需要注意LED 的組合方式，常用的一般是平面陣列型和圓球陣列型，由于LED 集成在高密度區域，因此要考慮到散熱問題的處理。
（ 5） 比較設計方案并權衡成本效益
由于LED 照明設計屬于逐步成熟階段，因此在設計時提出至少兩套備用方案，根據實際環境測試情況選擇適當方案，方案間的優勢和劣勢要有互補性。
在戶外使用的燈具要考慮達到一定的防塵防水等級，同時考慮到散熱性問題，建議采用導熱板或將燈具外殼設計為類似散熱器的機械結構。
另外，LED 戶外照明系統光學特性直接影響其輸出功率、配光曲線和光斑均勻性，在高質量應用方案的制定時需進行光學理論計算、計算機模擬及優化、光學元器件精密加工和模具制造等環節，最終形成具備較好的均勻度，無熱點、眩光和光污染的光學系統。
這里需要注意重視照明成本。照明成本不僅涉及燈具的初始生產成本，還涉及燈具正常工作所需消耗能源的成本，當電燈無法正常工作時更換電燈所需的勞動成本。白熾燈的初始成本很低，但它們將電能轉換成光能的效率比較低，而且容易燒壞。計算LED 的照明成本時一般都假定：
LED 燈的光輸出降到一半時，LED 燈的使用壽命就終止，因此假定典型LED 燈的壽命是7. 5 萬h而非10 萬h，同時照明成本的計算參量成為生產資料成本、能源損耗成本、生產維護成本以及貨幣流通等資金價值的總和。
?。?6） 投入工程實踐并反復論證改進
在工程實踐階段，對于PCB 板圖設計要考慮到散熱、防靜電和成本問題。采取樣機內部試驗驗證光學指標、高低溫指標和電氣系統指標后送交第三方（ 例如國家電光源質量監督檢驗中心、國家燈具質量檢測中心等） 測試通過后再定型生產。
?。?7） 監督施工環節并定期維護檢測在LED 照明系統工程安裝過程中要注意
1） 電源配置。確認輸入電源是直流還是交流、是否配置漏電保護裝置和過載保護裝置。
2） 防水結構。在戶外使用的LED 照明系統特別要考慮這類問題。
3） 實時監測。安裝前要檢測產品是否破損。
4） 控制LED 數量。不允許隨意串接數量。
5） 燈具打孔需要認真討論。確保燈具防水、防塵和散熱良好。
上述LED 照明系統設計的基本流程以及注意事項是以太陽能光伏LED 路燈為例，但可以將所述設計流程和注意事項應用于其他LED 照明系統設計之中。
結束語
LED 照明系統作為新型高效固態光源、半導體照明光源具有無污染、壽命長、指向性好及便于運輸等優點，已經廣泛應用于醫院、商場、賓館飯店及學校等場所的照明系統，伴隨著智能電網、物聯網技術及智能監測控制系統的照明應用展現出LED照明系統蓬勃的生命力和廣闊的應用前景。
在設計、安裝及使用的過程中結合文中所述LED 照明系統設計流程以及注意事項將會有助于完善LED 照明系統設計方案，提高LED 照明系統設計的安全性和可靠性，加速LED 照明系統的商業化進程。