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4.1 冷流明与热流明
4.1 冷流明与热流明
LED发出的光通量与正向电流的大小紧密相关，一般产品手册中列出的光通量都是指在额定正向电流If （例如350mA）下的额定光通量。达到额定光通量所需要的输入功率可以用 P＝If×Vf 来计算。其中Vf是LED在额定电流If时的正向电压。
LED的发光效能(后面简称“光效”)以光通量与输入功率的比值来表达。但是，这些额定电流和电压都是LED发光层Tj为25℃时的数值，这也就是我们所称的冷流明。在实际的灯具中，LED的结温会因为LED芯片能量转换时的热消耗而明显上升。最高的结温Tj按不同的LED种类一般在130℃到150℃。结温越高对LED芯片的损耗越大。
如图4.1.1所示，LED的光通量随着结温的升高而降低。所以在实际应用中，LED的结温越低越好。我们所指的热流明是指LED在达到稳定工作时的结温（70-120℃）状态下所发出的光通量。
图4.1.1 相对光通量与结温的函数关系曲线图
另一方面，结温越高LED芯片的内阻越小，光效越高。我们一般用“电压的温度系数VT”来表示这样的降低，即mV/℃。
LED灯具中最常见的是被动式散热系统，做这种系统设计时必须考虑几项主要因素比如LED光源的布局、灯具材质的属性、散热片的形状及表面处理，以及下文中描述的其它因素。
图4.1.2 CREE XP-E HEW的各项特性
Thermal Resistance，junction to solder point
焊点处热阻
Viewing Angel（DWHM）- white
发光角度（白光）
Temperature coefficient of voltage
电压的温度系数
ESD classification（HBM per Mil-Std-883D）
静电放电等级（HBM per Mil-Std-883D）
DC Forward Current
正向电流
Reverse Voltage
反向电压
Froward Voltage（for 350 mA）
正向电压（350 mA）
Froward Voltage（for 700 mA）
正向电压（700 mA）
Froward Voltage（for 1000 mA）
正向电压（1000 mA）
LED Junction Temperature
LED结温
由图4.1.1，我们可以发现当结温为25℃时，该LED发出100%的相对光通量；而当结温升高至150℃时，相对光通量则降低至70%。
根据方程式：
光效 ＝ Tj对应的相对光通量/[(Vf ＋ ΔV)×If ]
其中ΔV ＝ (Tj — 25) × VT
(注：Tj为结温，Vf为额定电压，ΔV为电压变量，If 为额定电流，VT为电压的温度系数)
我们能够计算LED Cree XP-E HEW在结温25℃对应相对光通量为114 lm情况下的光效，通过额定正向电流350 mA（图4.1.2）进行如下偏置：
ΔV ＝ (25 － 25) × (-0.003) ＝ 0 V
那么：
在If ＝ 350 mA, Tj ＝ 25 °C的情况下，
光效 ＝ 114/[(3 ＋ 0)×0.35]＝108.57 lm/W
现在计算LED在结温150℃下的光效，通过同样电流进行偏置（根据图4.1.1，结温150℃对应相对光通为79.8 lm）：
ΔV ＝ (150 － 25) × (-0.003) ＝ -0.375 V
那么：
在If ＝ 350 mA, Tj ＝ 150℃的情况下，
光效 ＝ 79.8/[( 3－0.375)×0.35]＝86.86 lm/W
通过比较两者我们可以发现，当结温上升时功耗会略有下降，但是光通量会有更明显的下降。在功率和光通量两者的共同作用下，光效会随着结温的上升而下降。
在实际应用中，一般结温总是高于25℃，因而”冷流明”数据虽然好看，但并不能代表LED的性能。实际LED的光效总是低于基于冷流明计算的光效，并且会受环境温度的影响，所以在做灯具设计的时候我们必须要考虑热流明。
4.2 LED调光
一、正向电流调光
由于LED的发光量取决于正向电流的大小，所以LED调光最简单的方法就是改变正向电流。图4.2.1揭示了光通量随正向电流的改变。由于两者的关系接近于线性变化，所以通过改变正向电流来进行调光，控制算法的实现就非常简单。
图4.2.1 相对光通量与正向电流的函数关系曲线图
但是，如图4.2.2所示，正向电流的改变会引起色坐标（Cx，Cy）的移动，并且直接影响LED的光色品质参数（相关色温、显色指数）。
图4.2.2 Osram LCW W5PM 的色坐标随(a)正向电流和(b)结温的变化而移动
当正向电流为350 mA时，色坐标为(0.440,0.408)，对应的相关色温为2985 K。如果正向电流降低至100 mA，色坐标移动为(0.448,0.406)，对应的相关色温为2838 K。正向电流的改变导致相关色温改变了147 K（图4.2.2a）。
同样的，结温的改变也会引起色坐标的变化。当结温为20°C时，色坐标为(0.436,0.406)，对应的相对色温为3036 K。当结温升高至100°C，色坐标改变为(0.428,0.399)，对应的相对色温为3121 K。两者的色温相差85K。这会导致当若干LED灯具同时调暗时，这样令人烦恼的相对色温差大体上明显可见。
优点：
不会引起LED的闪烁效果。
缺点：
灯具调暗时，相对色温会发生变化。
二、脉冲宽度调制 (Pulse-widthmodulation,简称PWM) 调光
另一种实现LED调光的方法则是脉冲宽度调制(PWM)。该种调光的原理就是使用额定电流高频率地开关LED。LED的供电与断电时间长短决定了LED的调光水平。由于开关频率已经高于人眼视觉可以感受到闪烁的频率，因而人眼会感到LED始终开着，但是其发光的强度则取决于PWM的占空比(duty-cycle)。
图4.2.3列举了50%和70%占空比各自的PWM调光示例。
图4.2.3 脉冲宽度调制调光示例：
a) 50%占空比
b) 70%占空比
优点：
全调光范围内相对色温稳定。
缺点：
灯具调暗时，可能会产生闪烁效果。
4.3 LED的连接方式
单颗LED的光通量是不够的，所以一般我们都将若干LED连接在一起来实现想要得到的光通量。LED的连接方式一般分为四种：
LED颗粒串联连接
LED颗粒并联连接
LED颗粒串并联连接
LED颗粒矩阵连接
一、LED颗粒串联连接
串联连接的LED（图4.3.1）都发出相同的光通量，并且不受正向电压的影响，正向电压可以根据串联数量的不同而改变。这样的连接方式要使用恒流驱动电源，即使一路中有一个或几个LED芯片短路也能保持稳定。串联方式连接LED对使用正向电流与PWM调光都比较理想。一般用于要求稳定CCT和CRI的情况。
图4.3.1 LED颗粒的串联连接
优点：
每个LED的电流相同 - 稳定的CCT和CRI
高光效– 不用使用外置平衡电阻
LED短路时不会产生影响
使用正向电流与PWM调光的理想连接方式
缺点：
当某个LED断路时整串会熄灭
LED恒流驱动电源价格更高
二、LED颗粒并联连接
LED颗粒并联连接（图4.3.2）的一大优势便是可靠，即便某个LED不能正常工作也不会影响别的LED的工作。并联需要恒压驱动电源。该种连接方式一般用于对CCT和CRI要求不高的情况，主要为装饰照明。
图4.3.2 LED颗粒的并联连接
优点：
恒压电源较为便宜
不受某个LED的断路失效影响
缺点：
效能低
某个LED短路时会不稳定
不能用于正向电流调光
三、LED颗粒串并联连接
相比于并联，该连接方式整体效能的增加胜过了故障防护功能上的轻微下降，光色品质参数（CCT和CRI）也更加稳定，并且可以使用价格较低的恒压电源驱动。串并联连接（图4.3.3）一般用于LED颗粒数量较多的情况，例如长串装饰LED灯带。
图4.3.3 LED颗粒的串并联连接
优点：
可以同时驱动数量很多的LED
LED断路和短路保护
缺点：
效能较低
不能用于正向电流调光
四、LED颗粒矩阵连接
当LED按矩阵方式连接时（图4.3.4），我们可以同时控制数量众多的LED，并且保持其相关色温的稳定性（在不管哪一颗LED在何种故障的情况下）。矩阵连接的LED可以使用恒流电源与恒压电源驱动。
图4.3.4 LED颗粒的矩阵连接
优点：
可以同时控制数量众多的LED
效能高
可以使用正向电流和PWM（使用恒流电源时）调光
LED断路和短路保护
缺点：
印刷电路板的设计相当复杂
4.4 LED的驱动
如图4.4.1，就是一个简单的用于向LED提供电流的驱动电路。驱动将电网中的交流电转换为直流电，并且进行优化。具有特别功能的LED灯具（例如调光、应急照明、人员感应、远程控制）需要较为复杂的驱动电路。
图4.4.1 LED接线基本示意图
一、LED驱动的种类与重要参数
根据驱动的输出信号，我们将LED驱动分为三类：
恒流驱动（CC）：用于LED串联连接，驱动提供稳定的电流，实现调光的理想驱动方式；
恒压驱动（CV）：用于LED并联连接，装饰LED灯带的理想驱动方式，驱动的LED数量可随意改变，一般不用于调光；
特殊驱动（CC+CV）：串联和并联LED都可以使用，价格比较昂贵的驱动方式。
图4.4.2 OMS Elite Vega LED的控制器件，应用了多种驱动方式
LED驱动的重要参数：
额定电流/电压：预定的输出电流或电压；
额定功率：驱动的输出功率；
功效：输出功率与输入功率的比值（%），功效越高驱动越好。
二、LED驱动的其他特点
模拟信号通讯——用于LED调光的最简单方式
模拟信号通讯在照明业中仅用于实现调光，这是用于商业照明（比如店铺中的射灯）中最常见的调光系统。缺点是模拟信号调光不能完全关闭LED。
模拟信号调光主要有两种方式：
前切/后切可控硅调光：只能实现单个灯具的调光；
0-10V，1-10V调光：可以实现多个灯具的同时调光（如图4.5.1所示）
图4.5.1 1-10V调光示意图
数字信号通讯– 与灯具的复杂通讯方式
数字信号的通讯可以通过数字信号控制多个LED驱动，并且对每个驱动进行单独控制，同时该系统可以得到每个灯具状态的反馈信号。数字信号通讯可以实现调光、动静探测、远程控制、白光调节、场景预设等，是用于实现灯具数量种类繁多的照明项目的理想通讯方式。
常用的数字信号通讯：
DALI (digital addressable lightinginterface)，数字可寻址照明通讯，最常见的数字信号通讯（图5.4.2）
DSI (digital signal interface) 数字信号通讯
DMX (digital multiplex) 多通道数字通讯
KNX (worldwide standard for allapplications in home and building control) 应用于所有家居和公共建筑控制的全球标准
图4.5.2 DALI控制的示意图
白光调节
如果我们在LED驱动中使用两套电路，我们可以将两个不同CCT的白光LED同时连接在一个驱动上进行控制，一个为暖白光，一个为冷白光。（如图5.4.3）这样的方式可以实现白光的调节，从而适用于各种不同需求的应用场景。
图4.5.3 实现白光调节的示意图
温度反馈
我们还可以通过LED工作温度的即时反馈来调节驱动电流，以避免环境温度过高时，LED过热而引起的寿命减短。通过这种方式，可以轻松地维持LED的使用寿命。
图4.5.4 温度反馈的示意图
远程控制
LED的驱动可以非常简单的实现无线的远程控制，如图4.5.5所示。
图4.5.5 远程控制示意图
应急照明
带有应急照明功能的LED驱动会实时监测输入驱动的电流。当输入电流被切断时，LED驱动会自动切换至由后备电池对LED进行供电。一般后备电池可以提供1至3小时的应急照明。这是在公共建筑照明中，法律法规所要求的一种重要功能。
图4.5.6 应急照明的示意图
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