【干货】如何计算LED照明灯具的光电参数

作为一个光学设计师，在工作中经常遇到关于光电参数计算的问题，以前100lm/W灯管就是好产品，但随着LED的发展，要求也水涨船高，现在很多工程案例为了节能，光效从120涨到150、甚至180lm/W，让人非常头疼。

下面结合实例，谈一谈怎么设计一种光电满足要求的灯具。

标称值一般指产品稳定后的测试数据。

你首先必须知道灯具测试的标准，大部分灯具可以直接通过积分球完成光电测试，依据IESLM79提供的方法，需要待灯具稳定后来测试，至于一些参数虚标的产品可以无视。

 

图1.IESLM79中对灯具稳定的要求

为什么一定是稳定后的数据，大部分 LED产品从瞬态到稳态都有一个衰减，而这些衰减很大，不能够忽视。

通过测试这些衰减大小，可以等到一个相对的热衰减系数，可以参看红字部分。

 

表2 市场上8-9W球泡灯的测试参数

LED灯珠选型与测试

设计的时候，首先是LED选型，LED规格书好多页，让你眼花缭乱。主要有额定功率、光通量、电压、色温、显色指数、色容差等等。如果继续深究下去，支架有ppa、pct、emc几种，芯片尺寸有好多种，荧光粉、硅胶、金线、支架金属都有很大的猫腻，这些对光源寿命都有着很大影响。

对LED而言，蕞重要的就是额定电流下光通量，比如现在蕞常用2835颗粒，额定60mA的光通量24-26lm。那是不是我将100pcs该LED焊在灯条上，60mA测试时光通量就是240-260lm？

答案是否定的，以下是一些误差的来源，后面测试报告一定是以自己仪器测试为准，所以就需要弄清楚这些系数。

 

表3 一些误差汇总

然而这些系数有时候推算比较麻烦，也少不了很多一对一测试。所以我的思路是，直接将厂商的标准LED灯珠焊在灯板上，用大积分球测试，直流供电，测试多个电流下的数据。

如果你设计一种常规的产品，对光效没有要求，额定电流下测试就可以了。但如果你需要更高光效的产品，那些方法就不适用了，要么选择更亮的灯珠，要么就是降低电流使用，更多的时候两者需要结合来使用。

 

表4 一种颗粒的测试数据

LED灯珠数量计算

做好以上一些工作后了，你还缺少两个重要的参数，一个是灯具电源转换效率，另外一个就是灯具的光学效率，可以通过如下公式计算，有时候面对全新的灯具无从入手，可以根据经验进行一些估算。

电源效率=LED电压×通过LED的电流÷输入功率

光学效率=灯具光通量÷裸光源测试光通量

注.以上均为瞬态测试

下面就开始正式的计算步骤：

1、确定设计光效；

假设客户要求是13W1800lm，那么此时光效要求就是139lm/W

2、确定使用颗粒的电流：

影响光效的主要有透光率、灯珠本身、热衰减系数（光通量衰减、VF衰减），公式如下：

LED灯珠光效×透光率×衰减系数×电源效率=灯具光效

比如现在需要做的灯管，透光率94%，瞬态到稳态光效衰减1.5%，电源效率90%，灯珠光效即139lm/W÷0.94÷0.985÷0.9=167lm/W。通过查表，得到一个合适的电流55mA

3、确定灯珠数量

单颗灯珠功率×数量=灯具功率×电源效率×衰减系数

电流确定后，查表可以得到单颗功率0.153W。数量=13×0.9×0.975÷0.153=75颗，但这个数量不能直接使用，因为还要考虑电源的参数，搭配合适的串并联，得到蕞终一个准确的数值：40串2并。

注.有可能计算需要的很少颗粒数，但使用起来会明显的颗粒感，所以这样的设计也是不合理的。

进阶篇-计算工具设计

通过以上过程，你能算出各种LED灯珠方案。但有时候经常需要计算不同厂商的不同灯珠，从而比较哪种方案更优，重复的计算也是很麻烦的一件事，所以交给excel会方便很多。

首先对原始数据整理，可得如下两个曲线，如果要求不高，可以采用线性拟合，即y=ax+b。为了更加精Q，我此处采用的二项式拟合，y=ax2+bx+c。

 

图5 电流与正向电压、光效的关系

通过电流，将灯具的所有参数联系起来，通过表格设计，就可以更加简单的计算光效了。后续也可以增进一些亮度BIN、电压BIN、电源恒流精度等参数，计算整批产品的参数范围。

 

 

表6 计算表格与光源数据库

结语：高光效LED是未来趋势

LED的在使用过程中，将电转化为光的比例在40%左右，而其他能量用于发热，还有很大的空间去提高这一数值，理论上LED的光效极限是300多。随着光效的逐年提升，LED会越来越节能，发热量也会大大降低，甚至以后都不需要单独的散热器。

在高光效产品的设计中，性能和成本始终很矛盾，只能综合各部分，从而达到一个平衡，以下一些个人经验，可以供大家参考，有不足之处请指出：

1、使用更好的光源，并将光源降低电流使用，从某种程度是可以达到目标，但成本也会成倍增加

2、提高光学效率，比如PCB使用高反射白油，金属反射杯表面处理，降低PC雾度，使用更好的扩散粒子，通过这些优化，球泡灯和灯管的光学效率可以达到97%

3、优化电源效率，现在非隔离的效率一般都是90%，通过某一点的优化，还能够提升2%

4、创造更好的散热条件，从文章一开始就知道，灯具从瞬态到稳态的过程，光通量会瞬时很多，如果加大散热结构，使用铝基板并增大敷铜面积，无疑能够提升稳态的光通量。