CN105840997B - 一种led灯具设计方法 - Google Patents

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Abstract

本专利公开了一种LED灯具设计方法，主要特征在于从LED芯片光通量随结温、正向工作电流的拟合关系出发，结合LED灯具的光学效率、电学效率，通过调整LED芯片的数量与正向工作电流，使得LED灯具的输出总光通量及总功率满足设定的目标，从而获得LED灯具设计方案。可以通过多次循环计算，得到不同的LED灯具设计方案，进而进行LED芯片之间的比较，选择最佳方案。

Description

一种LED灯具设计方法
技术领域
本发明属于LED技术领域，具体涉及一种LED灯具设计方法。
背景技术
随着LED技术成熟、成本下降、光色性能提升，LED灯具逐渐成取代传统光源，成为照明的首选。尤其在办公照明、超市照明、停车场照明等领域，LED以其在节能、寿命上的突出优势，所占的市场份额逐年提升。
然而，由于影响LED灯具光通量的因素非常多，温度、驱动器功率、灯具的光学效率、材料的特性等等，都会影响最后LED灯具输出的光通量。因此，对于一款LED产品，如何选择合适的LED芯片产品，如何确定LED芯片数量、驱动功率等，都具有一定的难度。
对于一颗特定的LED芯片，由于其本身是非线性器件，其光通量与正向电流(If)、结温(Tj)成非线性关系。总体上，LED发光的光通量随正向电流的增大而增大，正向电流越大，其变化的斜率越小。LED发光的光通量随温度的升高而减小。LED芯片的发光光通量随结温(Tj)和正向电流(If)的变化特性可用如下公式进行拟合：
Figure BDA0000971164440000011
其中：
Figure BDA0000971164440000021
Figure BDA0000971164440000022
Figure BDA0000971164440000023
α1＝1+α2
在LED灯具设计时，为了获得最高的光效或最小能耗，LED芯片通常不是在额定功率点上工作，其工作电流通常会偏离额定电流。此时，LED芯片发光的光通量就可以根据上述拟合公式计算得到。根据LED灯具设计的目标光通量、功率范围，通过调整LED的正向工作电流(If)和LED芯片的数量，可设计得到目标LED灯具设计方案。
本专利提出了一种LED灯具的设计方法，其主要特点在于通过取点及拟合，获得LED芯片的光通量随结温(Tj)和正向电流(If)的变化关系。以LED灯具采用的光学结构、光学材料特性、驱动器功率为已知参数，通过调整正向电流(If)和LED芯片的数量，使得整灯输出光通量及整灯功率满足设计目标，获得LED灯具的设计方案。
发明内容
本发明的目的在于提出一种LED灯具的设计方法。本发明基于LED芯片的光通量与结温(Tj)和正向电流(If)中间的变化关系，以LED灯具采用的光学结构、光学材料特性、驱动器功率为已知参数，通过调整正向电流(If)和LED芯片数量的取值，使得LED灯具的整灯输出光通量及整灯功率满足设计目标。
本发明提出的LED灯具的设计方法主要通过计算机计算得到，其具体步骤如下：
步骤一：确定LED灯具所要达到的目标光通量、总功率上限，作为后面计算的目标，并确定LED灯具采用的光学结构、光学材料特性、驱动电源特性等边界属性，作为后面计算的固定量；
步骤二：以LED芯片的数据手册出发，根据光通量
Figure BDA0000971164440000031
与结温Tj及正向电流If的有限个数据点，拟合得到LED芯片的光通量
Figure BDA0000971164440000032
随结温(Tj)和正向电流(If)的变化关系；
步骤三：根据步骤一中确定的LED灯具所要达到的目标光通量，结合LED芯片的额定光通量，计算得到所需要的LED芯片数量初始值N＝目标总光通量/(LED额定光通量*光学器件的光效)，向上取整，其中光学器件的光效根据步骤一中确定的LED灯具采用光学结构、光学材料特性而定；
步骤四：比较此时LED灯具的总功率(N*单颗LED芯片的功率/驱动电源效率)是否满足功率要求，其中驱动电源效率根据驱动电源特性而定，如果LED灯具的总功率小于总功率上限值，符合要求，得到工作电流(If)和应采用的LED芯片颗数(N)，如果LED灯具的总功率大于总功率上限值，则不满足要求，进入下一步骤；
步骤五：增加LED芯片数量(N增加1或更多)，LED灯具输出光通量超过步骤一中设定的目标值，同时，降低正向工作电流If，使得LED灯具输出光通量降低，直至与灯具目标光通量相同，查看此时LED灯具的总功率是否比步骤四中计算得到的总功率值小：如果比步骤四中的总功率值小，再查看此时LED灯具的总功率是否比步骤一中确定的目标功率低，如果比目标功率低，则满足设计目标，输出结果；如果LED灯具的总功率仍然大于目标功率值，再重复本步骤中的内容，增加LED芯片数量，降低正向工作电流If，知道LED灯具的总功率值小于总功率上限；如果LED灯具总功率比步骤四中的总功率大，则进入步骤六；
步骤六：减少LED芯片数量(N减少1或更多)，LED灯具输出光通量会降低，低于步骤一中设定的目标值，同时增大LED芯片的正向工作电流If，LED灯具的输出总光通量随着工作电流的增大而提高，直到它等于或略高于目标总光通量，查看此时LED灯具的总功率是否比总功率上限值小：如果满足，则优化完成，输出优化结果，如果还是大于总功率上限值，则再重复本步骤，减少LED芯片数量，增大LED芯片的正向工作电流If，直到灯具的总功率值小于总功率上限；
步骤七：若通过上述六个步骤，得到了LED灯具输出总光通量等于或高于步骤一中确定的目标总光通量，而LED灯具的总功率小于步骤一中确定的目标总功率，此方案(LED芯片、芯片数量、工作电流)作为LED灯具设计方案输出；若通过上述六个步骤，还是无法获得满足要求的方案，则此款LED芯片不适用与本LED灯具。
LED灯具设计方法，目前还没有发现类似拟合及优化方法。与普通的LED芯片选择方法相比，通过拟合LED芯片的光通量
Figure BDA0000971164440000041
随结温(Tj)和正向电流(If)的变化关系，并结合LED灯具光学特性、驱动特性、环境温度等参数进行循环计算，获得可靠的LED灯具设计方案，使得LED灯具设计更加方便、准确，降低LED灯具设计周期与设计成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明中所述的LED芯片光通量与正向电流所成的非线性关系示意图；
图2是本发明中所述的流程示意图。
图3是本发明中所述的MJT5630芯片的光通量与正向电流的关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细说明，在此本发明的示意图以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。在阅读了本发明说明的方法后，对本发明进行改动，这些等价形式同样在本权利要求书所限定的范围之内。
以SEOUL SEMICONDUCTOR首尔半导体型号为MJT5630的LED芯片为应用实例对本发明的具体实施方式进行详细说明。本李忠LED灯具设计方法主要通过循环计算得到，具体流程如图2所示。
SEOUL SEMICONDUCTOR首尔半导体型号为MJT5630的LED芯片的光通量与正向电流If的关系图如图3所示。
根据SEOUL SEMICONDUCTOR首尔半导体提供的LED芯片的数据手册，可拟合得到MJT5630LED芯片光通量与正向电流If的关系式，其各项参数的拟合值如表1所示。
表1：各光源的生理周期影响因子acv值
参数 HC_0 D Ce m n
拟合值 0.878 0.960 -0.01502 0.00007 0.899
根据表1中的拟合值，结合LED芯片发光光通量随结温(Tj)和正向电流(If)的拟合公式，即可计算得到某工作电流下，LED芯片的发光光通量。
在本例中，LED灯具的目标总光通量为3500lm，总功率目标为27W。灯具的光学效率设置为0.85，驱动效率为0.92，环境温度35℃。根据本专利所述的择优方法，可以得到结果为：
正向工作电压If：74mA；
LED芯片数量N：56颗；
灯具输出总光通量：3517lm；
灯具总功率：26.9W；
灯具发光效率：130.7lm/W。

Claims (5)

1.一种LED灯具设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定LED灯具的总光通量目标及总功率目标；
2)通过数据挖掘、拟合，得到LED芯片的光通量随结温Tj和正向工作电流If的变化关系；
3)根据LED芯片的额定功率，结合LED灯具的光学效率、电学效率，估算需要使用的LED芯片数量；
具体步骤为：根据步骤1)中确定的LED灯具所要达到的目标光通量，结合LED芯片的额定光通量，计算得到所需要的LED芯片数量初始值N＝目标总光通量/(LED额定光通量*光学器件的光效)，向上取整，其中光学器件的光效根据步骤1)中确定的LED灯具采用光学结构、光学材料特性而定；
通过循环计算，得到LED灯具输出总光通量满足目标、LED灯具总功率满足目标的情况下，所需LED芯片的数量、正向工作电流；比较此时LED灯具的总功率是否满足功率要求，总功率＝N*单颗LED芯片的功率/驱动电源效率，其中驱动电源效率根据驱动电源特性而定，如果LED灯具的总功率小于总功率上限值，符合要求，得到正向工作电流If和应采用的LED芯片颗数N，如果LED灯具的总功率大于总功率上限值，则不满足要求，进入下一步骤；
若循环计算得到满足要求的结果，则输出优化结果为正向工作电流及LED芯片数量，反之，在此条件下无解决方案。
2.如权利要求1所述的LED灯具设计方法，其特征在于，用拟合公式表达LED芯片光通量与正向工作电流之间的关系，方便后面的优化、计算。
3.如权利要求1所述的LED灯具设计方法，其特征在于，通过循环计算，寻找LED芯片数量和正向工作电流的理想组合，使得LED灯具的总光通量及总功率满足要求。
4.如权利要求1所述LED灯具设计方法，其特征在于，LED芯片光通量与温度及正向工作电流之间的拟合关系，可通过数据手册提取得到，也可以通过LED芯片样件检测得到。
5.如权利要求1所述的LED灯具设计方法，其特征在于，可以通过多次循环计算，得到不同的LED灯具设计方案，进而进行LED芯片之间的比较，选择最佳方案。
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