LED路灯灯具开发关注点

张继晃

(厦门通士达照明有限公司，厦门361100)

0 引言

能源居21世纪全球最关切议题之首，照明节能更被列为第一要务。道路照明由政府掌控，因应节能环保趋势，LED路灯的商机正在不断升温中。从照明观点看道路分为汽车专用、一般街道、商店街、人行道四大类。一般所指的道路照明是指汽车专用道照明，主要功能是保障夜间道路的行人及车辆驾驶人员能安全通行，尤其应提供驾驶者看清道路形状、行进方向及周边环境等，以正确辨视任何障碍物，预测行进方向。道路照明对减少事故和犯罪起着非常重要的作用。

因道路照明的重要性，其设计考虑的重点包含照度充足、亮度均匀、光色宜人、低眩光、诱导行车、节能及维护便利等，故路灯应具备高效率、照明利用率好、配光适当、寿命长、防水防尘等特性，以实现安全可靠、节能、视觉适度、低光害及低维修率。

LED被视为21世纪之光，LED照明就像真空管到晶体管，及CRT到FPD，是革命性的突破，2007年以后LED发光效率不断提高，1 W冷白光产品光效110 lm/W，日亚小晶率(20 mA)的实验室水准甚至达249 lm/W，大量投入带来惊人的成长速度，2008年北京奥运会也为世人宣示LED照明时代的来临。在取代室内照明之前，目前最被看好的切入层面即是LED光源应用于路灯模组的设计。由于具有超过50 000 h的长效寿命，可大幅降低日后维修成本，减少30% ～50%耗电量。此外LED路灯的绝佳控制性可充分利用，如调降初期照度、时控照度设定、自动调光等可对道路节能效益再添一成。目前照明用白光LED在通常照明工作条件下的系统效率已超过40 lm/W，再加上LED制造成本大幅下降，所以照明用白光LED已具备应用到一些照明领域的商用条件。但是目前制造照明LED的产业群体往往对照明电器基本知识和要求不了解，而传统的照明灯具生产群体也往往缺乏对照明用LED特性的深入了解，在设计和运用中没有充分地利用LED特点，进行扬长避短，产生很多不合理的设计。

1 关于LED路灯

1.1 道路照明法规与标准

道路照明要求严格，全球各国的道路照明设置规范以及路灯性能标准相当完整明确;标准一般包含照度以及均匀度(最小照度/平均照度)，CIE115提出参考规范，将道路分成四大类，路面基准分为15，20，30，50 lx，均匀度为0.4。基于环境与文化因素影响，各国规范仍有差距。道路照明灯具的安全、性能和能效特性是评价道路照明灯具品质的几个重要方面，其相关的产品标准包括产品安全标准、产品性能标准和光度测试方法标准。分段产品安全标准:GB 7000.1-2007《灯具第 1部分:一般要求与试验》(idt IEC60598-1:2002)和 GB 7000.5-2005《道路与街路照明灯具安全要求》(idt IEC60598-2-3:2003)分段产品性能标准:GB/T24827-2009《道路与街路照明灯具性能要求》，光度测试方法标准:GB/T 9468-2008《灯具分布光度测量的一般要求》，该标准规定的测试方法与CIE121一致。分段使用LED光源的灯具，除了符合上述两个标准以外，还应符合GB 7247.1-2001激光产品的安全第1部分:设备分类、要求和用户指南(idt IEC 60825-1:1993)。关于LED灯具的检测，IECEE已有OSM/CTL决议，其原则是对于LED灯具，首先要根据IEC60825-1判断其类型，如果属于1类或1M类的激光安全型LED，则不需要根据IEC60825-1检验，反之则需要。灯具的光度性能由CIE(国际照明委员会)出版物规定，涉及CIE 31-1978道路照明装置的眩光和均匀度，CIE 33-1977道路照明装置的折旧和维护，CIE 34-1977道路照明灯具和装置数据:光度测定、分类和性能，CIE 47-1977潮湿环境的道路照明，CIE 66-1984道路表面和材料，CIE 140-2000道路照明计算，CIE 180-2007发展中国家的道路运输照明。

道路/街路灯的照明要求(来自CJJ45-2006标准)，表1中CJJ45-2006标准上对道路照明的规定，从道路照明要求看不同道路上应采用的光度指标，若道路主要为机动车用的，路面应以亮度评价，如道路以行人和非机动车为主要服务对象的应使用照度为指标。由于行人关心的是对方来人的面孔和地面上的情况，因此要确定垂直面的照度或路面上的照度(水平照度)。

表1 CJJ45-2006标准上对道路照明的规定

在节能的前提下，日本对街道照明灯具定下参考准则，其能源效率部分以200 W的照明灯具为界限，低于200 W发光效率为50 lm/W，其余高于60 lm/W，我国也将照明用功率密度(LPD，W/m2)列入法规，此政策将会加速高效率灯具的普及，也是LED路灯的机会。

台湾积极推动LED灯具法规制定，于2008年12月4日正式公布CNS15233《发光二极管道路照明灯具》标准。强调节能耐用、安全、配光性能等三大项，规定三级能效等级，最低灯具发光效率为45 lm/W，其次需通过50℃下连续测试360 h。安全上着重避免雷击伤害，以及抗风强度。配光上主要对光强度分布情况加以规范，产品必须确保路面照度均匀度，以确保路人安全。规范内容主要包含基本性能(功率因数、输入功率、电流谐波失真及电压变动)，安全性(绝缘耐压、IP、风压)，电磁干扰，光学特性(光色允许色偏范围、配光)，发光效率，耐用可靠性(温度循环及开关进行8 000次)，耐久性等，此外，基于视觉适度考量不允许任一LED不亮或闪烁失效。标准最苛刻之处是需要进行老化测试1 000 h后，再进行3 000 h测试中，光通量不得小于原光通量的92%，且发光效率符合维持原标准90%。

DOE关于SSL产品能源之星认证中对道路灯具的要求，DOE在2007年8月公布了第一批SSL产品能源之星认证要求(共7个产品，3个室外和4个室内)后，在2008年8月又公布了包含道路/街路照明灯技术要求的补充产品的要求(共10个产品，5个室外和5个室内)。关于道路/街路照明灯技术要求如下(包含与第一批产品通用的技术要求):

(1)色度和色变化的要求，颜色的规定见表2，SSL产品达到能源之星要求的色度坐标的要求，在DOE的 SSL规范中对道路/街路灯具的色温没有限制。

表2 色度、色变化和颜色的规定

图1 色温位置在色品图中的表示

图2 LED光衰和结温关系曲线

(2)寿命(光衰)要求规定25 000 h和35 000 h两档。检测方法是将SSL灯具点燃6 000 h后测光衰，试验时的灯不需老炼，每1 000 h测量一次，到6 000 h的光衰小于初始的94.1%，寿命大于35 000 h，光衰为初始的91.8%，寿命为25 000 h。

(3)电气要求，表3为SSL灯具的电气要求。

表3 SSL灯具的电气要求

(4)能效要求:灯具的能效≥50 lm/W。

(5)配光要求最小光输出:2 300 lm(初始);环带流明密度:0°～90°为100%，光通量为80°～90°，最大占10%光通量;光束均匀性要求最大光强在55°～65°等。

(6)其他内容为待机功耗要求不工作时不耗电，但与探测有否人员活动的监测设备合用的例外;保证从购买日起三年内免费修理替换光源或驱动器，对住宅用灯具的保证日期从运输之日起算;灯具制造要附上灯具热管理的说明﹑证书文件和试验过程;装置要求LED光源的平均流明衰减到起始值的70%的时间最小是35 000 h;附着在建筑上功率大于13 W的SSL设备必须附有光控设备，能自动启闭，24 h内可人工或自动控制等。

1.2 LED路灯现状

(1)LED路灯与传统道路照明灯具比较，目前普遍采用的道路灯具光源是高压钠灯或金属卤化物灯，其最大特点是发光电弧管尺寸小，有很大光输出，具有很高的光效，系统效率(包括配套电器)可达80～110 lm/W，但这类光源运用在道路灯具中只有40%左右的光直接透过玻璃罩到达路面，其他光通过灯具反射器再射出灯具。传统路灯存在明显不足，一是灯具直接照射的方向上照度很高，明显过度照明，次干道上可达50 lx以上;二是反射器的效率为50%～60%，60%左右的光输出在灯具内，损失了30%～40%后再投射到路面。此类灯具的总体效率在60～70%(极少部分国际品牌灯具效率可达80%)。综合有效照明效率仅为50%，目前次干道的照明效果(照度及均匀度)基本达不到CJJ45-2006和CIE31，CIE115标准要求。LED作为路灯光源，它与传统路灯光源比较有许多优点，寿命长，抗震性能好，白光LED光色比高压钠灯好，能实现较完美的调光功能(LED进行频繁开关对其没有太大影响，可以通过改变电流方法来调光，亦可采用脉冲宽度调节方法来调光，通过调节电压占空比和工作频率能有效调节LED发光强度)，灯具光学系统内LED光源光通量损失最小，LED光源不含有害金属汞等。

(2)LED光源的道路灯具配光现状，目前LED在路灯使用最普遍的形式主要有两类:一类采用传统的道路灯具外壳，只是在灯具内装在平板安装面上矩阵式LED;另一类把多个LED集成在一个圆柱体上，光输出密度接近高强度气体放电灯，再利用灯具反射器进行配光，但这种设计方式的灯具分布不会优于传统道路灯具，并且在一个很小区域内集成高密度的LED，使LED散热情况不良，不仅影响到LED的发光效率，而且影响到LED的使用寿命。利用传统路灯灯头改制的LED路灯，采用了铝型材做散热器，将整个光源和驱动电路装入铝合金灯壳中，虽然解决了灯具的防护等级问题，但是整个光源是在密闭的灯壳中，灯具工作中所产生的热量无法散发到空气中，导致LED模块和驱动电路在极恶劣的环境中工 作，工作温度急剧升高，LED随着温度的升高而出现死灯和光衰，驱动器也因温度高而烧毁，大大降低了灯具的可靠性和使用寿命(见图2)。故此方案是不成熟的。要做好LED路灯，简单地用传统灯头装入LED光源是行不通的，见图3。

图3 传统路灯改造成LED路灯

目前，LED路灯还不能用于主干路。主干路是连接城市各主要分区的干路，采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快，照明水平比次干路高。主干路的照度要求达到30 lx，照度均匀度为0.4，平均亮度要求达到2.0 cd/m2，亮度总均匀度为0.4，亮度纵向均匀度0.7，阈值增量≤10。达到节能水平的路灯，应在照明质量达到以上要求的同时，照明功率密度应小于国家标准的规定，当车道数≥6条时，照明功率密度≤1.05 W/m2，车道数＜6条时，照明功率密度≤1.25 W/m2。主干路上大多使用250 W或400 W高压钠灯路灯，250 W或400 W高压钠灯的光源光通量达到28 000 lm(250 W)和48 000 lm(400 W)。这种大功率路灯的灯具效率一般在75%～85%之间，因此，灯具的光通量输出最低也有21 000 lm。以一盏250 W高压钠灯路灯为例，灯具效率为83.5%，配光曲线如图4(a)所示，其最大光强通过 c角10°，γ 角70.0°。c为0°，180°，10°的配光曲线的形状良好。这款路灯可用在四至六车道的主干路。目前，光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。不同光通量档次的灯具应应用在不同级别的道路上，否则达不到节能效果。

图4 LED配光分布情况

(3)LED光源道路灯具驱动现状，LED对驱动电路的要求是保证恒流输出的特性，因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小，所以保证LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED输出功率的恒定。由于我国电源电压供应不稳定的现状，道路照明LED的驱动电路具有恒流输出特性非常必要，保证光输出同时避免LED超功率运行。目前很大一部分一类驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流源电路组成;另外一类采用通用开关电源加电阻电路组成，如此消耗很大的有功功率。所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出特性的前提下，效率并不高。另外很大一部分不具备防雷击功能。

(4)LED光源道路灯具散热与IP防护现状，LED的工作工况和散热不仅直接关系到LED实际工作时的发光效率，而且还关系到使用寿命，而良好的IP防护也会妨碍LED的散热。目前LED路灯很大一部分是在对传统灯具进行局部改造，灯具的热量都集中在灯具光学腔内，一方面违背了LED光源的特性，配光达不到要求，同时伴随另一致命缺点散热效果不好，严重影响光衰及寿命。因为采用传统灯具局部改造即使IP防护良好但影响LED散热，而且某些灯具达不到IP65等级直接造成光源及电源短路失效。

2 LED路灯设计关注点及解决途径

2.1 LED配光设计

LED路灯和使用传统光源路灯的光学设计方式是不同的。传统光源路灯是通过使用反射器将一个光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED路灯的光源由多个LED组成，通过设计每个LED的投射方向，使受照路面获得均匀的照度。LED的最大特点是具有定向发射光的功能，功率型LED装有发射器，其效率明显高于灯具反射器效率(一次配光)，LED道路灯具应尽可能地利用LED的定向发射光特性，使各个LED分别直接把光射向被照路面(二次配光)，再利用灯具反射器的辅助配光(三次配光)，来实现合理的道路灯具综合配光，以满足CJJ45-2006和CIE31，CIE115标准照度和均匀度要求。因LED光源的半空间发光的特点，LED光源在灯具内使用，光源光通量的损失比高压钠灯或金属卤化物灯少。就目前来讲，LED光源的光效达不到高压钠灯或金属卤化物灯的水平，即相同功率的光源，光通量没有高强度气体放电灯高。但是，由于LED光源的半空间发光的特点，使得LED灯具的光通量输出可以接近于高强度气体放电灯灯具水平。当路灯将光线照射到路面上，光线的投射方向只存在半个空间。高强度气体放电灯的发光空间占据了整个空间，见图4(a)。如果没有灯具，光源的上半空间光线全部浪费。使用灯具，反射器可以将上半空间的光线反射到下半空间内，但反射器对光线的吸收作用，以及光线反射时受到光源自身的遮挡转换成热能，或反射器对光线二次反射的再吸收，使得光源的一部分光线损失了。灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。从小功率高压钠灯路灯(70 W～150 W)光度性能状况来看，灯具效率一般处于65%～75% 的水平。以100 W高压钠灯为例，光源的光通量达到8 000 lm，路灯的光通输出为5 200 lm～6 000 lm。LED光源在这方面是具有优势的，LED的发光只存在于半个空间，见图4(b)，在不用灯具的情况下，也能将光线100%投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向，在这个过程中，光的损失是微小的。目前，LED路灯的光效达到了40～50 lm/W，以100 W LED路灯为例，灯具光通量输出可以达到4 000～5 000 lm。相信通过不断地加强设计力量，路灯的配光会更加优化，最后达到完美。

各级政府都在大力推行节能减排，在室内照明中，已经强制执行照明功率密度(LPD)的限值，我国道路照明节能认证的技术标准《道路照明灯具节能认证技术要求》提出了道路照明功率密度(LPD)的考核要求，其核心部分是在满足道路路面照度与均匀度的前提下尽可能降低照明功率密度(单位:W/m2)，从而达到节能目的。以上设计思路正好迎合考核要求。

2.2 LED路灯的散热

LED是嵌入照明器具中使用的，由于LED芯片的发热量大，在做成大功率灯具时遇到了困难。各公司目前正在努力解决的课题之一就是“散热”。虽说发光效率越来越高，但LED芯片的发热量仍然很大。如果未采取散热措施，LED芯片的温度就会过高，导致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。LED最重要的性能就是“长寿命”，为了不影响这一指标，就需要设法将芯片上产生的热量散出去。改善LED的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。目前较为实用的方案是把灯具铝材外壳设计成散热器状，内表面平整完后安装光源铝基板，铝基板与内表面之间采用导热硅胶连接，以确保传导散热效果，外表面做成鳍状散热结构，即使外壳落尘也可以通过自然风雨冲刷，保证散热工作的持续。另外，关键散热位置可采用导热板，导热板是在金属板的内部，均布有供冷媒流动的细导管，当导热板某一部位受热时，细导管内的冷媒会快速流动使热量迅速地传导，好的导热板热传导系数是同厚度铜材板的8～12倍。

另外，散热鳍片对于小型的发热器件是简单有效的散热单元，但是对于路灯这样大功率的发热设备，如果只是将散热鳍片简单地放大显然是不科学的。根据最基本的热学原理，大面积的散热鳍片存在严重的热岛效应，为了获得需要的散热效果，在随着功率加大而同比加大散热器尺寸的同时，需要额外增加散热器尺寸，从而大大增加散热器的尺寸和重量，导致灯具重量很大。

散热材料的选择，为了做好LED路灯，首先我们对散热材料进行选择，目前散热器所采用的基本为金属材料，这主要出于三方面的考虑:导热性能好、易于加工、易获取。表4为散热片常用材料与常见金属材料的热传导系数，表4中列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。

表4 常见金属材料的热传导系数

2.3 LED路灯的驱动

要确保LED的长寿命特性，LED路灯的驱动显得非常关键，同时其转换效率显得很重要。采用有源电子开关电路或高频电流来驱动LED可以使驱动电路保持良好的恒流输出特性，同时具有很高的转换效率。但是电子驱动电路的LED灯具，在户外使用时，对其可靠性威胁最大的是雷电感应问题。共模干扰对地可达数百伏到数千伏，很容易击穿驱动电路的EMC接地电容或较小对地的电气间隙，造成驱动电路损坏;同时产生的差模干扰电压，也可达数百至3 000多伏，这一电压可击穿驱动电路的电源整流二极管和印制线路板上不同极性电极间的电气间隙，损坏驱动电路。驱动电路应具备压敏电阻、传导干扰(EMI)保护，同时LED驱动电路各点对地的电气间隙保持在7 mm以上，绝缘强度应强化达到(4U+2750V)要求，使LED驱动电路具有良好的抗雷电感应能力。

2.4 LED路灯的IP防护

不仅要求LED光源部分具备IP65防护能力，同时驱动部分也必须满足IP65等级以上要求，既保证LED、驱动工作安全，也是确保光输出维持率。通常采用结构防水设计加硅胶密封条方案，硅酮胶只能作为辅助防水方式，驱动部分可采用灌封密封胶，不仅解决防水目的，而且可达到驱动散热目的。

3 LED路灯的其他关注点

LED路灯灯具结构整体考虑，一体化设计;LED光源的模组化设计，便于拼装维护及散热，尽可能由多模组光源组成大功率光源;LED光源光色的选择;LED路灯光源腔与电源腔分离设计;LED路灯配件材料选择，如透镜材料、散热材料等;电源输入端接线盒设计，考虑拆装方便及安全，设计电源线接线盒同时注意防水;LED路灯抗风压要求，兼顾灯具总重量，迎风面积设计;LED路灯调光控制功能的实现，真正实现节能;LED路灯与太阳能的完美结合，有效利用绿色能源;当然作为户外产品也要考虑产品的外观设计，注意解决好白天景观欣赏问题等等。

4 小结

LED应用在道路照明中，充分发挥其定向光输出特性，合理二次配光结合灯具反射器三次配光满足道路照明设计要求，系统效率不断提高，实现单位面积能耗比高压钠灯节约30%的目的，同时设计时在满足IP防护的前提下，保证散热可靠和持续有效，LED驱动电路应具有高效率且完善EMC保护特性，同时应满足照明功率密度(LPD)指标。随着LED技术的进步和发展，LED路灯的应用技术也在随之进步和发展，多数LED路灯产品达到或超过了国家道路照明标准。效果是明显的，形势是喜人的，前景是乐观的。政府的大力支持，是LED照明技术发展的源动力，应注重驱动系统、光学系统、散热导热系统、防护等级、加工工艺和美学设计等应用技术的研究，努力提升LED灯具自身的稳定性、可靠性。LED路灯的应用，应引入“实践”的观点，同时加强核心技术的研究与开发。

［1］台交会光电系列活动会刊，2009

［2］CJJ45-2006.城市道路照明设计标准［S］

［3］上海市照明学会2008年年会论文集

［4］第四届中国国际半导体照明会议论文集(2007年上海)

［5］GB 7000.1-2007.灯具 第一部分:一般安全与试验［S］

［6］GB 7000.5-2005.道路与街路照明灯具安全要求［S］

［7］GB/T24827-2009.道路与街路照明灯具性能要求［S］

［8］GB/T 9468-2008.灯具分布光度测量的一般要求［S］.光度测试方法标准

［9］海峡两岸第十一届照明科技与营销研讨会专题报告文集

［10］光源与照明，2010(1)