LED路燈燈具開發關注點

張繼晃

(廈門通士達照明有限公司，廈門361100)

0 引言

能源居21世紀全球最關切議題之首，照明節能更被列為第一要務。道路照明由政府掌控，因應節能環保趨勢，LED路燈的商機正在不斷升溫中。從照明觀點看道路分為汽車專用、一般街道、商店街、人行道四大類。一般所指的道路照明是指汽車專用道照明，主要功能是保障夜間道路的行人及車輛駕駛人員能安全通行，尤其應提供駕駛者看清道路形狀、行進方向及周邊環境等，以正確辨視任何障礙物，預測行進方向。道路照明對減少事故和犯罪起著非常重要的作用。

因道路照明的重要性，其設計考慮的重點包含照度充足、亮度均勻、光色宜人、低眩光、誘導行車、節能及維護便利等，故路燈應具備高效率、照明利用率好、配光適當、壽命長、防水防塵等特性，以實現安全可靠、節能、視覺適度、低光害及低維修率。

LED被視為21世紀之光，LED照明就像真空管到晶體管，及CRT到FPD，是革命性的突破，2007年以后LED發光效率不斷提高，1 W冷白光產品光效110 lm/W，日亞小晶率(20 mA)的實驗室水準甚至達249 lm/W，大量投入帶來驚人的成長速度，2008年北京奧運會也為世人宣示LED照明時代的來臨。在取代室內照明之前，目前最被看好的切入層面即是LED光源應用于路燈模組的設計。由于具有超過50 000 h的長效壽命，可大幅降低日后維修成本，減少30% ～50%耗電量。此外LED路燈的絕佳控制性可充分利用，如調降初期照度、時控照度設定、自動調光等可對道路節能效益再添一成。目前照明用白光LED在通常照明工作條件下的系統效率已超過40 lm/W，再加上LED制造成本大幅下降，所以照明用白光LED已具備應用到一些照明領域的商用條件。但是目前制造照明LED的產業群體往往對照明電器基本知識和要求不了解，而傳統的照明燈具生產群體也往往缺乏對照明用LED特性的深入了解，在設計和運用中沒有充分地利用LED特點，進行揚長避短，產生很多不合理的設計。

1 關于LED路燈

1.1 道路照明法規與標準

道路照明要求嚴格，全球各國的道路照明設置規范以及路燈性能標準相當完整明確;標準一般包含照度以及均勻度(最小照度/平均照度)，CIE115提出參考規范，將道路分成四大類，路面基準分為15，20，30，50 lx，均勻度為0.4。基于環境與文化因素影響，各國規范仍有差距。道路照明燈具的安全、性能和能效特性是評價道路照明燈具品質的幾個重要方面，其相關的產品標準包括產品安全標準、產品性能標準和光度測試方法標準。分段產品安全標準:GB 7000.1-2007《燈具第 1部分:一般要求與試驗》(idt IEC60598-1:2002)和 GB 7000.5-2005《道路與街路照明燈具安全要求》(idt IEC60598-2-3:2003)分段產品性能標準:GB/T24827-2009《道路與街路照明燈具性能要求》，光度測試方法標準:GB/T 9468-2008《燈具分布光度測量的一般要求》，該標準規定的測試方法與CIE121一致。分段使用LED光源的燈具，除了符合上述兩個標準以外，還應符合GB 7247.1-2001激光產品的安全第1部分:設備分類、要求和用戶指南(idt IEC 60825-1:1993)。關于LED燈具的檢測，IECEE已有OSM/CTL決議，其原則是對于LED燈具，首先要根據IEC60825-1判斷其類型，如果屬于1類或1M類的激光安全型LED，則不需要根據IEC60825-1檢驗，反之則需要。燈具的光度性能由CIE(國際照明委員會)出版物規定，涉及CIE 31-1978道路照明裝置的眩光和均勻度，CIE 33-1977道路照明裝置的折舊和維護，CIE 34-1977道路照明燈具和裝置數據:光度測定、分類和性能，CIE 47-1977潮濕環境的道路照明，CIE 66-1984道路表面和材料，CIE 140-2000道路照明計算，CIE 180-2007發展中國家的道路運輸照明。

道路/街路燈的照明要求(來自CJJ45-2006標準)，表1中CJJ45-2006標準上對道路照明的規定，從道路照明要求看不同道路上應采用的光度指標，若道路主要為機動車用的，路面應以亮度評價，如道路以行人和非機動車為主要服務對象的應使用照度為指標。由于行人關心的是對方來人的面孔和地面上的情況，因此要確定垂直面的照度或路面上的照度(水平照度)。

表1 CJJ45-2006標準上對道路照明的規定

在節能的前提下，日本對街道照明燈具定下參考準則，其能源效率部分以200 W的照明燈具為界限，低于200 W發光效率為50 lm/W，其余高于60 lm/W，我國也將照明用功率密度(LPD，W/m2)列入法規，此政策將會加速高效率燈具的普及，也是LED路燈的機會。

臺灣積極推動LED燈具法規制定，于2008年12月4日正式公布CNS15233《發光二極管道路照明燈具》標準。強調節能耐用、安全、配光性能等三大項，規定三級能效等級，最低燈具發光效率為45 lm/W，其次需通過50℃下連續測試360 h。安全上著重避免雷擊傷害，以及抗風強度。配光上主要對光強度分布情況加以規范，產品必須確保路面照度均勻度，以確保路人安全。規范內容主要包含基本性能(功率因數、輸入功率、電流諧波失真及電壓變動)，安全性(絕緣耐壓、IP、風壓)，電磁干擾，光學特性(光色允許色偏范圍、配光)，發光效率，耐用可靠性(溫度循環及開關進行8 000次)，耐久性等，此外，基于視覺適度考量不允許任一LED不亮或閃爍失效。標準最苛刻之處是需要進行老化測試1 000 h后，再進行3 000 h測試中，光通量不得小于原光通量的92%，且發光效率符合維持原標準90%。

DOE關于SSL產品能源之星認證中對道路燈具的要求，DOE在2007年8月公布了第一批SSL產品能源之星認證要求(共7個產品，3個室外和4個室內)后，在2008年8月又公布了包含道路/街路照明燈技術要求的補充產品的要求(共10個產品，5個室外和5個室內)。關于道路/街路照明燈技術要求如下(包含與第一批產品通用的技術要求):

(1)色度和色變化的要求，顏色的規定見表2，SSL產品達到能源之星要求的色度坐標的要求，在DOE的 SSL規范中對道路/街路燈具的色溫沒有限制。

表2 色度、色變化和顏色的規定

圖1 色溫位置在色品圖中的表示

圖2 LED光衰和結溫關系曲線

(2)壽命(光衰)要求規定25 000 h和35 000 h兩檔。檢測方法是將SSL燈具點燃6 000 h后測光衰，試驗時的燈不需老煉，每1 000 h測量一次，到6 000 h的光衰小于初始的94.1%，壽命大于35 000 h，光衰為初始的91.8%，壽命為25 000 h。

(3)電氣要求，表3為SSL燈具的電氣要求。

表3 SSL燈具的電氣要求

(4)能效要求:燈具的能效≥50 lm/W。

(5)配光要求最小光輸出:2 300 lm(初始);環帶流明密度:0°～90°為100%，光通量為80°～90°，最大占10%光通量;光束均勻性要求最大光強在55°～65°等。

(6)其他內容為待機功耗要求不工作時不耗電，但與探測有否人員活動的監測設備合用的例外;保證從購買日起三年內免費修理替換光源或驅動器，對住宅用燈具的保證日期從運輸之日起算;燈具制造要附上燈具熱管理的說明﹑證書文件和試驗過程;裝置要求LED光源的平均流明衰減到起始值的70%的時間最小是35 000 h;附著在建筑上功率大于13 W的SSL設備必須附有光控設備，能自動啟閉，24 h內可人工或自動控制等。

1.2 LED路燈現狀

(1)LED路燈與傳統道路照明燈具比較，目前普遍采用的道路燈具光源是高壓鈉燈或金屬鹵化物燈，其最大特點是發光電弧管尺寸小，有很大光輸出，具有很高的光效，系統效率(包括配套電器)可達80～110 lm/W，但這類光源運用在道路燈具中只有40%左右的光直接透過玻璃罩到達路面，其他光通過燈具反射器再射出燈具。傳統路燈存在明顯不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，明顯過度照明，次干道上可達50 lx以上;二是反射器的效率為50%～60%，60%左右的光輸出在燈具內，損失了30%～40%后再投射到路面。此類燈具的總體效率在60～70%(極少部分國際品牌燈具效率可達80%)。綜合有效照明效率僅為50%，目前次干道的照明效果(照度及均勻度)基本達不到CJJ45-2006和CIE31，CIE115標準要求。LED作為路燈光源，它與傳統路燈光源比較有許多優點，壽命長，抗震性能好，白光LED光色比高壓鈉燈好，能實現較完美的調光功能(LED進行頻繁開關對其沒有太大影響，可以通過改變電流方法來調光，亦可采用脈沖寬度調節方法來調光，通過調節電壓占空比和工作頻率能有效調節LED發光強度)，燈具光學系統內LED光源光通量損失最小，LED光源不含有害金屬汞等。

(2)LED光源的道路燈具配光現狀，目前LED在路燈使用最普遍的形式主要有兩類:一類采用傳統的道路燈具外殼，只是在燈具內裝在平板安裝面上矩陣式LED;另一類把多個LED集成在一個圓柱體上，光輸出密度接近高強度氣體放電燈，再利用燈具反射器進行配光，但這種設計方式的燈具分布不會優于傳統道路燈具，并且在一個很小區域內集成高密度的LED，使LED散熱情況不良，不僅影響到LED的發光效率，而且影響到LED的使用壽命。利用傳統路燈燈頭改制的LED路燈，采用了鋁型材做散熱器，將整個光源和驅動電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護等級問題，但是整個光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產生的熱量無法散發到空氣中，導致LED模塊和驅動電路在極惡劣的環境中工 作，工作溫度急劇升高，LED隨著溫度的升高而出現死燈和光衰，驅動器也因溫度高而燒毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命(見圖2)。故此方案是不成熟的。要做好LED路燈，簡單地用傳統燈頭裝入LED光源是行不通的，見圖3。

圖3 傳統路燈改造成LED路燈

目前，LED路燈還不能用于主干路。主干路是連接城市各主要分區的干路，采取機動車與非機動車分隔形式。機動車在主干路上的行駛速度比次干路快，照明水平比次干路高。主干路的照度要求達到30 lx，照度均勻度為0.4，平均亮度要求達到2.0 cd/m2，亮度總均勻度為0.4，亮度縱向均勻度0.7，閾值增量≤10。達到節能水平的路燈，應在照明質量達到以上要求的同時，照明功率密度應小于國家標準的規定，當車道數≥6條時，照明功率密度≤1.05 W/m2，車道數＜6條時，照明功率密度≤1.25 W/m2。主干路上大多使用250 W或400 W高壓鈉燈路燈，250 W或400 W高壓鈉燈的光源光通量達到28 000 lm(250 W)和48 000 lm(400 W)。這種大功率路燈的燈具效率一般在75%～85%之間，因此，燈具的光通量輸出最低也有21 000 lm。以一盞250 W高壓鈉燈路燈為例，燈具效率為83.5%，配光曲線如圖4(a)所示，其最大光強通過 c角10°，γ 角70.0°。c為0°，180°，10°的配光曲線的形狀良好。這款路燈可用在四至六車道的主干路。目前，光通量小是LED路燈不能應用在主干路上的主要原因。不同光通量檔次的燈具應應用在不同級別的道路上，否則達不到節能效果。

圖4 LED配光分布情況

(3)LED光源道路燈具驅動現狀，LED對驅動電路的要求是保證恒流輸出的特性，因為LED正向工作時結電壓相對變化區域很小，所以保證LED驅動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。由于我國電源電壓供應不穩定的現狀，道路照明LED的驅動電路具有恒流輸出特性非常必要，保證光輸出同時避免LED超功率運行。目前很大一部分一類驅動電路由降壓、整流濾波后加直流恒流源電路組成;另外一類采用通用開關電源加電阻電路組成，如此消耗很大的有功功率。所以此兩類驅動電路在基本滿足恒流輸出特性的前提下，效率并不高。另外很大一部分不具備防雷擊功能。

(4)LED光源道路燈具散熱與IP防護現狀，LED的工作工況和散熱不僅直接關系到LED實際工作時的發光效率，而且還關系到使用壽命，而良好的IP防護也會妨礙LED的散熱。目前LED路燈很大一部分是在對傳統燈具進行局部改造，燈具的熱量都集中在燈具光學腔內，一方面違背了LED光源的特性，配光達不到要求，同時伴隨另一致命缺點散熱效果不好，嚴重影響光衰及壽命。因為采用傳統燈具局部改造即使IP防護良好但影響LED散熱，而且某些燈具達不到IP65等級直接造成光源及電源短路失效。

2 LED路燈設計關注點及解決途徑

2.1 LED配光設計

LED路燈和使用傳統光源路燈的光學設計方式是不同的。傳統光源路燈是通過使用反射器將一個光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED路燈的光源由多個LED組成，通過設計每個LED的投射方向，使受照路面獲得均勻的照度。LED的最大特點是具有定向發射光的功能，功率型LED裝有發射器，其效率明顯高于燈具反射器效率(一次配光)，LED道路燈具應盡可能地利用LED的定向發射光特性，使各個LED分別直接把光射向被照路面(二次配光)，再利用燈具反射器的輔助配光(三次配光)，來實現合理的道路燈具綜合配光，以滿足CJJ45-2006和CIE31，CIE115標準照度和均勻度要求。因LED光源的半空間發光的特點，LED光源在燈具內使用，光源光通量的損失比高壓鈉燈或金屬鹵化物燈少。就目前來講，LED光源的光效達不到高壓鈉燈或金屬鹵化物燈的水平，即相同功率的光源，光通量沒有高強度氣體放電燈高。但是，由于LED光源的半空間發光的特點，使得LED燈具的光通量輸出可以接近于高強度氣體放電燈燈具水平。當路燈將光線照射到路面上，光線的投射方向只存在半個空間。高強度氣體放電燈的發光空間占據了整個空間，見圖4(a)。如果沒有燈具，光源的上半空間光線全部浪費。使用燈具，反射器可以將上半空間的光線反射到下半空間內，但反射器對光線的吸收作用，以及光線反射時受到光源自身的遮擋轉換成熱能，或反射器對光線二次反射的再吸收，使得光源的一部分光線損失了。燈具效率是反映光源光線損失程度的參數。從小功率高壓鈉燈路燈(70 W～150 W)光度性能狀況來看，燈具效率一般處于65%～75% 的水平。以100 W高壓鈉燈為例，光源的光通量達到8 000 lm，路燈的光通輸出為5 200 lm～6 000 lm。LED光源在這方面是具有優勢的，LED的發光只存在于半個空間，見圖4(b)，在不用燈具的情況下，也能將光線100%投射到路面。對燈具需要設計的是在較小的角度范圍內改變光線的投射方向，在這個過程中，光的損失是微小的。目前，LED路燈的光效達到了40～50 lm/W，以100 W LED路燈為例，燈具光通量輸出可以達到4 000～5 000 lm。相信通過不斷地加強設計力量，路燈的配光會更加優化，最后達到完美。

各級政府都在大力推行節能減排，在室內照明中，已經強制執行照明功率密度(LPD)的限值，我國道路照明節能認證的技術標準《道路照明燈具節能認證技術要求》提出了道路照明功率密度(LPD)的考核要求，其核心部分是在滿足道路路面照度與均勻度的前提下盡可能降低照明功率密度(單位:W/m2)，從而達到節能目的。以上設計思路正好迎合考核要求。

2.2 LED路燈的散熱

LED是嵌入照明器具中使用的，由于LED芯片的發熱量大，在做成大功率燈具時遇到了困難。各公司目前正在努力解決的課題之一就是“散熱”。雖說發光效率越來越高，但LED芯片的發熱量仍然很大。如果未采取散熱措施，LED芯片的溫度就會過高，導致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化，從而最終引起發光效率的降低和壽命的縮短。LED最重要的性能就是“長壽命”，為了不影響這一指標，就需要設法將芯片上產生的熱量散出去。改善LED的發熱問題是攻克大功率照明燈具的關鍵。目前較為實用的方案是把燈具鋁材外殼設計成散熱器狀，內表面平整完后安裝光源鋁基板，鋁基板與內表面之間采用導熱硅膠連接，以確保傳導散熱效果，外表面做成鰭狀散熱結構，即使外殼落塵也可以通過自然風雨沖刷，保證散熱工作的持續。另外，關鍵散熱位置可采用導熱板，導熱板是在金屬板的內部，均布有供冷媒流動的細導管，當導熱板某一部位受熱時，細導管內的冷媒會快速流動使熱量迅速地傳導，好的導熱板熱傳導系數是同厚度銅材板的8～12倍。

另外，散熱鰭片對于小型的發熱器件是簡單有效的散熱單元，但是對于路燈這樣大功率的發熱設備，如果只是將散熱鰭片簡單地放大顯然是不科學的。根據最基本的熱學原理，大面積的散熱鰭片存在嚴重的熱島效應，為了獲得需要的散熱效果，在隨著功率加大而同比加大散熱器尺寸的同時，需要額外增加散熱器尺寸，從而大大增加散熱器的尺寸和重量，導致燈具重量很大。

散熱材料的選擇，為了做好LED路燈，首先我們對散熱材料進行選擇，目前散熱器所采用的基本為金屬材料，這主要出于三方面的考慮:導熱性能好、易于加工、易獲取。表4為散熱片常用材料與常見金屬材料的熱傳導系數，表4中列出的5種不同鋁合金中:AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導系數較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細薄的鰭片。

表4 常見金屬材料的熱傳導系數

2.3 LED路燈的驅動

要確保LED的長壽命特性，LED路燈的驅動顯得非常關鍵，同時其轉換效率顯得很重要。采用有源電子開關電路或高頻電流來驅動LED可以使驅動電路保持良好的恒流輸出特性，同時具有很高的轉換效率。但是電子驅動電路的LED燈具，在戶外使用時，對其可靠性威脅最大的是雷電感應問題。共模干擾對地可達數百伏到數千伏，很容易擊穿驅動電路的EMC接地電容或較小對地的電氣間隙，造成驅動電路損壞;同時產生的差模干擾電壓，也可達數百至3 000多伏，這一電壓可擊穿驅動電路的電源整流二極管和印制線路板上不同極性電極間的電氣間隙，損壞驅動電路。驅動電路應具備壓敏電阻、傳導干擾(EMI)保護，同時LED驅動電路各點對地的電氣間隙保持在7 mm以上，絕緣強度應強化達到(4U+2750V)要求，使LED驅動電路具有良好的抗雷電感應能力。

2.4 LED路燈的IP防護

不僅要求LED光源部分具備IP65防護能力，同時驅動部分也必須滿足IP65等級以上要求，既保證LED、驅動工作安全，也是確保光輸出維持率。通常采用結構防水設計加硅膠密封條方案，硅酮膠只能作為輔助防水方式，驅動部分可采用灌封密封膠，不僅解決防水目的，而且可達到驅動散熱目的。

3 LED路燈的其他關注點

LED路燈燈具結構整體考慮，一體化設計;LED光源的模組化設計，便于拼裝維護及散熱，盡可能由多模組光源組成大功率光源;LED光源光色的選擇;LED路燈光源腔與電源腔分離設計;LED路燈配件材料選擇，如透鏡材料、散熱材料等;電源輸入端接線盒設計，考慮拆裝方便及安全，設計電源線接線盒同時注意防水;LED路燈抗風壓要求，兼顧燈具總重量，迎風面積設計;LED路燈調光控制功能的實現，真正實現節能;LED路燈與太陽能的完美結合，有效利用綠色能源;當然作為戶外產品也要考慮產品的外觀設計，注意解決好白天景觀欣賞問題等等。

4 小結

LED應用在道路照明中，充分發揮其定向光輸出特性，合理二次配光結合燈具反射器三次配光滿足道路照明設計要求，系統效率不斷提高，實現單位面積能耗比高壓鈉燈節約30%的目的，同時設計時在滿足IP防護的前提下，保證散熱可靠和持續有效，LED驅動電路應具有高效率且完善EMC保護特性，同時應滿足照明功率密度(LPD)指標。隨著LED技術的進步和發展，LED路燈的應用技術也在隨之進步和發展，多數LED路燈產品達到或超過了國家道路照明標準。效果是明顯的，形勢是喜人的，前景是樂觀的。政府的大力支持，是LED照明技術發展的源動力，應注重驅動系統、光學系統、散熱導熱系統、防護等級、加工工藝和美學設計等應用技術的研究，努力提升LED燈具自身的穩定性、可靠性。LED路燈的應用，應引入“實踐”的觀點，同時加強核心技術的研究與開發。

［1］臺交會光電系列活動會刊，2009

［2］CJJ45-2006.城市道路照明設計標準［S］

［3］上海市照明學會2008年年會論文集

［4］第四屆中國國際半導體照明會議論文集(2007年上海)

［5］GB 7000.1-2007.燈具 第一部分:一般安全與試驗［S］

［6］GB 7000.5-2005.道路與街路照明燈具安全要求［S］

［7］GB/T24827-2009.道路與街路照明燈具性能要求［S］

［8］GB/T 9468-2008.燈具分布光度測量的一般要求［S］.光度測試方法標準

［9］海峽兩岸第十一屆照明科技與營銷研討會專題報告文集

［10］光源與照明，2010(1)