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LED灯具的发展现状与趋势

发布时间:2014-09-10 浏览:879次 发布:中国照明灯具网

古念松 梁建冬 程彦刚 黄瑞彬 高增军

1 LED灯具行业的当前概况与发展趋势

  LED照明无疑是LED最重要、最具发展前景的应用领域。当前,宏观经济与政策环境对于LED照明产业的发展极为有利,但是机遇与挑战并存。

1.1LED灯具行业的概况

首先,节能减排的推进给LED照明行业带来了前所未有的发展机遇。国务院将2014GDP增长目标定位7.5%,单位GDP能耗目标为下降3.9%以上。根据2013年我国电力消耗的统计数据,照明能源消耗占电力消耗的19%,大力推广LED照明在各个领域的应用能够促进节能减排目标的达成。

其次,源于LED固有特点,LED与传统光源相比具有许多优势:LED发光效率高,节能环保;LED光源的小体积与发光的方向性有助于高效的灯具配光设计;光源寿命长,可靠性高可是用于各种严酷的照明环境;颜色选择丰富,亮度能够自由调节,造型可塑性强的特点,在替代传统照明需求的基础上,同时提供了发挥创意的设计空间,满足个性化及智能控制的照明需求。

LED照明灯具的成本不断降低,市场障碍逐步减少。产品成本的降低促进了LED照明应用的普及,LED灯具的市场正由公共照明、商业照明领域走进通用照明。

LED灯具行业门槛较低,吸引了大量投资涌入,产品价格竞争激烈。

1.2 LED灯具行业的发展的趋势

从技术上看,LED光源的发光效率在过去和将来的数年内以每年约7%的速度提升,而单位流明的价格则以每年10%-15%的速度降低。大功率LED与小功率LED的量产光效性能在2017年左右将达到200lm/W,而COMLED的效略低。

照明的市场总量预计会以年平均5%的增长率至2016年,接着再以年平均3%的增长持续到2020年;而LED照明则以年平均33%的增长率快速增长至2016年,随之后再以年平均15%的增长持续到2020年。LED芯片和封装的主要市场将由背光源转向通用照明,其中亚洲将占全球市场的45%。

LED灯具产业进入洗牌整合阶段。LED照明市场整体处于上升期,得益于吸引了大量投资,竞争愈加激烈,LED照明产业利润逐渐降低并将成为薄利行业。一些生产劣质LED灯具的小作坊企业将在激烈的竞争中逐步退出,LED照明市场将逐渐走出乌烟瘴气的氛围。

 

 

随着LED灯具市场步入洗牌阶段,各大厂商纷纷通过各种渠道布局市场,力图尽快占据市场制高点。在重视销售渠道和品牌价值的同时,在产品上也更佳重视针对不同的市场需求提供科学的产品方案,从单纯的注重性能指标转向注重照明质量,产品细分化,增加具有独特功能于规格的产品,在市场竞争中更具卖点。正确理解各应用需求并给出合适的LED照明产品方案将成为竞争焦点,也为各厂商综合实力比拼的焦点。

当前LED灯具的销售渠道主要有工程项目与批发、零售两大类。

2销售渠道与产品方案的配合

2.1 各类LED灯具特点

按照用途及其结构区别,可将灯具划分为专业(户外)照明灯具、商用(户内)照明灯具及家居照明灯具等三大类。

2.1.1 专业(户外)照明灯具

 专业(户外)照明灯具主要针对工程项目,注重可靠性与功能,成本敏感度相对较低。此类灯具的方案设计,主要从以下几方面考虑。

 (1)LED

 通常选用大功率芯片封装的LED作为光源。为保障在户外相对严酷的应用条件下的灯具寿命,以及满足相关标准需求,选用的LED光源需要通过LM-80认证的。LED驱动电流的设计,需要综合考虑灯具的光效与成本,选择一个合适的驱动电流,一般会低于的最大驱动电流,并按照需求预留一定的余量。光源的颜色方面,户外照明对显色指数通常为Ra70,但某些专业照明对显色指数的要求则有较高要求,如Ra90.虽然中功率LED具有较高的性价比,但在户外灯具上应用时要格外谨慎。户外LED灯具为了达到一定的防水等级,光源腔常被设计成空腔体积非常小的气密空间,用于密封或防治水器进入的保护材料(密封胶、灌封胶、防潮油等)或焊料使出小分子气体容易进入LED内部并造成污染;如果光源腔采用加装透气呼吸阀结构设计,使得腔体内外气可以自由交换,有利于稀释内部使出气体浓度降低LED受到污染可能,但是,户外复杂的环境气体也会因为内外气压变化产生气体交换进入光源腔,其受到污染可能性与具体环境气体成分及其浓度相关。因此,当中小功率LED用于户外灯具应用时,需要确认灌封胶或防潮有固化其间或与可能接触材料在长期应用时是否会释放气体并不会对LED造成污染。有致密表层胶体结构的大功率LED能防止这些气体进入保护LED不受污染,另一方面,大功率LED使用陶瓷取代塑料作为封装材料,避免使用塑料受户外环境影响而更快老化。此外,在热量较为集中的户外灯具中使用能承受更高的结温大功率LED不仅利用散热设计同时使灯具可靠性更容易得到保障。

(2)电源

按照以往市场上某些户外LED灯具实际应用经验,电源往往先于LED失效,而电源失效会直接导致灯具无法工作,甚至造成光源器件的损坏。由于户外灯具的更换或维护成本非常高,因此,户外灯具配备一个高可靠性电源尤显重要。由于户外灯具往往被安放在高处,并远离配电设备,其防雷性能力主要取决于灯具本身,为了适应更多地域与使用环境,提高灯具实际使用环境中的可靠性,灯具防浪涌能力一般需要比EMC标准(1kV或2kV)有更高要求如达到6-10kV的防浪涌能力。目前的户外照明灯具,对智能控制需求不明显,除了满足基本的安全需求外还应更加重视可靠性需求。因此,一般使用选用能适应户外各种恶劣电网及自然环境的高可靠性电源,调光功能则只在一些工程项目中有需求。

(3)光学器件

户外/专业照明灯具由于应用的场合较具专业性,对光分布有特殊的要求。需要定制化的配光设计,使光分布于应用要求相符。典型案例如路灯的配光设计,需要以驾驶者的视角考虑路面是否的亮度和均匀性,避免眩光和斑马效应。还需要考虑配光的效率,针对不同的路面材质及车道数给出最舒适和高利用率的配光。此外,户外灯具的光学器件还需要考虑材料的耐候性,针对应用场合的UV、高温高湿、盐碱腐蚀等的抗侯性。

(4)灯具结构

户外/专业照明灯具,同一款产品会有细分的规格。在灯具方案设计中从功能和经济性考虑,通常会采用模块化设计理念。集成光源板、光学器件、散热的光引擎是常见的解决方案。出于考虑到成本的优化,半模组化灯具设计则综合了一体化灯具与模组化灯具设计优点,将散热器、壳体、电源作为共用单元,而抽出光引擎进行模组化。相对模组化灯具,降低了整灯元件组装灵活性及产品组合多样性,还有低成本等优点。因外户外灯具本身功率较大而且往往被安装于较高的位置,从而要求灯具本身具有较强支撑结构及防撞击强度,金属结构件通常是较佳选择。铝合金钣金作为整体散热方案具有导热性能好重量低的优点,相对于压铸及基础成型工艺成本较低,与简化光引擎的半模组化设计结合更具成本竞争力。

    2.1.2 商用(户内)照明灯具

  商用(户内)照明灯具是项目与批发渠道需求并存产品,对灯具成本控制要求很高。客户更关注产品的体验(照明质量)。此类灯具的方案设计,主要从以下几个方面考虑。

(1)LED

在由于户内/用灯具需要兼顾照明质量与成本压力,LED一般会选用lm/$较高的中功率光源,对于光斑要求较高的射灯类灯具,也会采用颜色特性较好的大功率LEDCOB光源。于成本结构,LED所占的比例低于户外照明产品。驱动电流的设计一般会充分发挥LED的使用价值,接近其最大电流驱动。商用照明LED灯具通常要求其色容差小于7阶麦克亚当椭圆,如果作为主照明的筒灯在同一场景内大量应用时,可能会对色容差提出更高要求,如要求小雨5阶麦克亚当椭圆,可以通过生产时对多个LED进行混光达到。一般情况,在商用照明领域,要求LED灯具的显示指数大于80即可,但在作为展示用途的局部照明领域中的灯具,如射灯,有时会要求更高显色指数,如大于90或95,相比灯具的光效,显色指数与光色的一致性会是影响照明体验的重要因素。因此,LED的选用需要根据客户应用需求使用显色指数于色容差与之相符的LED

(2)电源

可根据应用场合使用隔离或非隔离电源,针对不同的市场匹配不同电源输入电压。应绿色照明要求,提出以市电输入的LED灯具按不同功率划分不得低于其规定的PF值。此外,高集成度的非隔电源因其性价比很高,被大量应用于此类灯具。由于商厦配电相当复杂,集各种用电设备一起,特别是在一些过电压保护措施不完善的商厦要求灯具的本身防浪涌性能往往要比通常(0.5kV)高出很多,达到1.5-3.0kV,另外,还可能因其功电压波动较大,也要求灯具能较宽输往入电压下正常工作,例如,额定工作电压为230V灯具可能被要求在160-300V输入电压范围内正常工作。例如,为了更好适用印度市场用电环境,户内LED灯具也通常要求能在160-300V之间的电压内工作,并具有1.5-3.0kV防浪涌能力。

(3)光学器件

在商业应用中使用的光源较多,有些灯具发光面由多个LED以点阵式均匀分布形成,当这些灯具用于局部照明时容易产生“鬼影”效果,而使用集成封装的COBLED或经过特别光学处理形成的单一光源常常被运用在局部照明灯具设计中以使被照射物体轮廓分明、光影清晰。光学器件的设计需要特别注意眩光的控制,射灯、筒灯类光源亮灯较高的灯具需要有截光角的设计。此外,光学器件的效率与光源成本及灯具的光效息息相关。除了传统的透镜、反射器、扩散板等器件外,白色PET等高反射率的材料也是光学器件的应用趋势。特别是对于筒灯、面板灯等间接照明灯具,通过高反材料减少灯具内腔的反射损耗,能够显著提高灯具效率,降低光源成本。

(4)结构和散热

负荷材料得到初步的应用。由于塑胶材料在复杂形状的成型效率较高,能够降低工艺成本提高产能,塑胶取代或部分取代铝合金拉伸材料得到应用。但由于塑胶材料的热传导性能目前还远远低于金属材料,许多灯具中,会采用塑胶包复金属的设计,兼备塑胶与金属材料的优点。复合材料的应用,灯具结构的整合设计变成可能,而且结构设计更灵活自由,外形更美观。使用整合设计的LED灯具,已没有明显的散热部件与结构件甚至光学部件之区分,它们尽可能被整合成一个部件,有利于构成灯具组建数量的减少,灯具成本也相应降低。 

2.1.3 家居照明灯具

由于LED光源具有先天优良的光色可控性,一些具有智能无线控制LED灯具在家居照明崭露头角,使LED照明可以实现智能情景,并更加省电、环保。家居照明灯具主要面对零售市场,与户内灯具要求相近,相比商业灯具照明客户会更关注产品的外观。此类灯具的方案设计,需要重视产品的价格、外观、品牌宣传以及产品的数量,主要从以下几方面考虑。

(1)LED

处于近乎苛刻成本要求,主要使用1m/$较高的中功率光源,并将其至于满负荷驱动状态。家居照明对LED光源的显色指数有一定的要求,通常Ra≧80。由于家居中使用的灯具较少,色容差的要求较商业照明放宽,一般满足ANSI标准(小于7阶麦克亚当椭圆)则可。

(2)电源

家居照明注重个性化,高度集成电源或被简化电源因其更具成本优势被大量使用。因为可控硅用于传统的灯泡调光不但性能好而且控制简单便宜,在家居照明得到大量使用,LED灯具在取代传统灯具时也被要求具有相同的调光性能。因此,各大电源IC厂商纷纷投入对可控硅调光电源方案研究与开发,当前市面上已涌现许多做的不错的相位调光驱动案,甚至出现一些同时支持前沿斩波的双向可调光器与后延斩波晶体管调光器的相位调光方案。相应的,LED灯具兼容传统相位调光器的电源控制技术也逐渐成熟,成本也不断降低,在家居照明应用越来越多。另一方面,带具有智能控制电源常受到青睐,此外,在某些灯具还要求具备调色温、情景照明等智能调光功能。

(3)光学器件

首先考虑光学器件的成本与效率,还需要有一定的防眩光设计,使灯光看起来舒适柔和。区别于荧光灯,用于照明的LED本身不会产生UV,因此,家居照明的光学器件材质通常不需要抗UV

(4)结构和散热

 结构上需要考虑家具安装的便捷性和兼容性。由于家居照明灯具的日均工作时长较低,额定寿命一般15000-25000小时左右即可,散热会在满足寿命要求的前提下,尽可能节约成本。一些合金片材,不但具有优良导热性能,还适合挤压成型、冲压成型等冷成型工艺,容易通过简单加工的到各种造型并备散热功能结构件,也被广泛用于家居LED照明灯具。

2.2  LED灯具方案整体分析

LED灯具主要由LED光源、光学、结构、散热、驱动、包装等材料构成。

   出于成本优化设计,热管理部件往往同时作为灯具结构件的主要部分,因此也适当降低纯机械装配的部件所占成本比例。室内灯具有与同时注重照明质量(发光均匀性、炫光控制)与能效,以致光学成本相对其他灯具占总成本比例要高些。

   LED灯具方案设计的需要综合权衡的关键指标包括:光效、寿命、可靠性、适用场合(通用性)、价格等。

2.3  LED灯具的基本架构分析

(1)LED光源的选用

LED元器件中,光源占灯具总成本的比例较大。目前应用较多的LED光源按封装类型可分为分立器件LED及集成封装COB LED两大类,而分立器件再按功率大小分为小功率(<0.2w)、中功率(0.2~1w)大功率(>1w)等几种类型。

 中功率LED在输出同等光通量时最具成本及性能优势,在通用照明灯具方案中,选择中功率LED方案具有较高的竞争力;小功率在光效<120lm/W,也具有较高性价比,适用于要求发光面均匀及光学设计不太复杂的灯具;由于大功率LED具有优良的可靠性极其发光面积小,适合户外及要求配光精准灯具上应用;COB LED由于光输出较为集中,可以看作单一发光源,一些具有较小发光面积并具有很高光通量输出的COB非常适合要求中心光强较高的灯具上应用,如射灯等。

LED灯具方案设计时,目标光效是确定方案的重要参考。

 当目标光效提高时,成本会显著上升,当光效降低时,成本变化不明显。由于该款灯具主要面对零售市场,对价格敏感,因此产品方案确定的目标光效为性价比相对合理上网85lm/M.

当目标光效提高或降低时,成本变化显著。由于该款灯具主要面对工程市场,对技术参数和可靠性的要求较高,因此产品方案的目标光效为性能参数较有竞争力的115lm/M.

(2)PCB板材选用

目前,由于LED灯具的PCB板材主要有陶瓷基板,MVPCB、 FR-4、  CEM -3、 FR-1等方案,表2比较了它们的成本,导热能力及绝缘性能。

陶瓷PCB适合于热量非常集中并要求极低热阻的大功率LED封装应用;MCPCB适合在热量集中的大功率灯板应用;FR-4及 CEM-3成本稍低,可在热量不太集中,并且灯板面积较大的LED灯具中(如筒灯,面板灯及条形灯等)常取代  MCPCB 。其优良的绝缘性能可以简化灯具防触电保护的电器结构设计,以优化成本。更具成本优势的FR-1适合中小功率电源板应用。另外, COFchip On film)的方案使用具有高反光率的白色PET薄膜作为基材, LED可以自由分布在白色PET薄膜上,PET薄膜柔软特点使其可以配合不同灯具外观进行灵活地设计,而且价格低廉。

(3)光学方案选用

目前,LED灯具的光学器件方案主要由透镜、反射器、扩散材料等

光学房难选取主要根据实际应用需求确定。户外灯具主要使用透镜方案,因为其具有优良的可靠性能及容易达成精准配光;在单光源特别是室内灯具的应用,扩散材料往往被与反射器或透镜一起使用.

(4)结构与散热方案的选用

机构件选用,户外应用中更需要考虑耐候性与可靠性,更多使用金属材料,室内灯具则更多考虑灯具造型及成本,倾向于使用塑胶材料。

在大功率LED灯具应用,相对其他成型方案使用钣金冲压成型工艺方案不但具有热导优良而且还有明显具有成本优势,同时灯具重量也大为降低,特别对户外灯具重量限制与成本控制非常有利。

(4)电源的选用及波纹电流

目前,很多使用市电供电中小功率(约<50WLED灯具,为了优化电源成本、效率与功率因数,高性价比的单机PFLED电源方案被广泛的应用。出于对LED灯具低成本的苛刻要求,迫使设计人员在功率因数与LED电流波纹之间做一个基本的权衡,而功率因数往往被要求>0.9,因此,使用这类电源的LED电流的100hz120hz工频纹波电流含量一般会在15%~30%之间,甚至更高,接近100%LED纹波电流致使LED发光相应电费呈现不同程度的闪烁。灯光闪烁可能导致照明质量严重受损,但是,目前仍不对闪烁的量测进行标准化,LED产品暴露出来的闪烁指标尚不充分,甚至还没有一个清晰的相关指标门槛用于辨别具体应用的闪烁问题。对于此类工频闪烁,应尽可能降低其波纹电流含量而加以改善。有些闪烁不易被人们所察觉。或者说人们所察觉到的闪烁并不能精确的反映其闪烁的程度。但是,闪烁会令人感到头痛。疲惫。视力模糊及降低视觉作业效率,还会是运动物体出现频闪效应。因此,在工作与学习的场所,环境及作业照明均应使用闪烁程度较低的灯具,对于敏感人群与长时间实用尤为重要。

3总结

 LED灯具产业虽然整体取得了长足的发展,但仍然有较大的发展空间,从美国技术与市场角度看,LED灯具产业正处于由新兴走向成熟的过度阶段。LED灯具的主要市场将由对传统光源灯具的替代逐步转向具有LED光源特点灯具发展,成为超越传统光源照明品质的灯具。随着LED相关技术的逐年进步与芯片及封装成本的降低,令LED灯具能够占领更多的市场,市场的竞争也促使了企业的分化与优胜劣汰。

 在当前LED灯具行业的洗牌阶段,只有把握先机,正确定位目标市场,并能快速给出具有竞争力产品方案以满足客户需求,同时具备卓越技术开发,创新与高效生产管控能力的厂商才能够胜出。

  创新引领未来,产品创意总是被赋予跨学科、跨行业特征。具有时代特征的互联网信息、智能控制及人机交互技术,与LED照明领域的应用正在全面开启,如各种室内外场景的无线或远程智能情景控制、电力与能源管理。汽车入库停车引导等。LED应用已不局限于为人类提供更舒适智能照明,在医疗保健行业,远洋渔业,甚至农牧业的动植物养殖/生长管理也初现端倪。 

责任编辑:晓海

来源:中国LED照明论坛论文集

 

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