LED光引擎的解決方案

本·斯韋伯格

如今，能提供超過100lx/W的LED照明產品并不少見。與傳統光源相比，LED燈具有更高的光效，并有各種形狀和尺寸，一些安裝在傳統的插座里，還有一些與燈具集成為一體。任何一種形式都能滿足某些特定的應用，但是真正的挑戰是如何滿足更大的商業市場的需求，即把方便最終用戶使用與高性能聯系起來，使光的輸出最大化、使用壽命更長和更便于現場更換。

為什么關心現場更換的問題

許多早期的LED燈都是按照將發光二極管集成在燈具里的模式來進行設計的。這種設計需要對大量的熱量進行處理，從而實現光輸出和產品使用壽命的最大化。但是這種LED燈和所有的電子產品一樣，會有初期的失敗率和安裝后易損的問題。此外，如果不能實施簡單的更換，要想升級出更高效的發光二級管是不切實際的。因此，要通過廣闊的市場獲得LED技術的效率，使業主有信心相信未來他們可以更換他們的“燈”。

能源設計師協商會議針對這個問題提出，采用LED燈的主要障礙是更換問題和缺少模塊化。國際電氣制造商協會 （NEMA）在其2009年的白皮書上就對此有所公認：“LSD 44固態照明是新一代插座和連接器的需求”。并指出：“目前，在許多LED燈具中，發光二極管是“永久性”的，最終用戶或維修人員現場是不能隨意更換的。也有一些LED燈具，雖然其發光二極管是作為單獨的子模塊可以被更換，但在更換過程中，若不將燈具的主要部分拆卸下來，仍不能簡單地更換發光二極管。越來越多的經驗表明，發光二極管是會發生故障的……”

既然LED燈僅消耗如此少的能量，為什么熱量處理會如此重要？

一個高效產品需要其熱量輸出得到很好地控制，這似乎很矛盾。事實上，LED產品產生的熱量比傳統光源要少得多。所不同的是，LED產品所產生的熱量高度集中在LED本身，從而產生了一個非常小的高溫區域。而發光二極管具有一個臨界溫度，這個臨界溫度對其使用壽命有很大的影響。好的燈具設計要求當光的輸出量最大時，它的溫度能穩定地停留在臨界溫度以下。采用愛迪生燈座或CFL細桿燈座等的傳統燈具，在設計時都沒有考慮如何處理燈內發光二極管的熱量。因此，LED光源在使用這些傳統的接口時不得不犧牲燈泡的使用壽命或光通量的輸出。NEMA在同一本白皮書（LSD44-2009）中也提出了這個問題：“現有插座的使用犧牲了固態照明的能力；其機械和光學配置未達到最佳的標準；且不能提供足夠的散熱路徑。”

最初用于普通照明的LED產品在開發時遵循兩條不同的原則：1）使用集成模塊使性能變強；2）使用傳統燈座便于更換。如前所述，第一種能提供最佳的性能，但使現場更換更具挑戰性。第二種選擇便于更換，但卻不能完全控制好產品的熱量，導致產品使用壽命或光通量降低，甚至兩者皆有。

隨著人們開始意識到熱量處理和適用性在商品市場中的重要性，一些具有良好熱傳導路徑的可更換模塊和改進的全套元件紛紛出臺。其中多數系統運行正常，但是，仍然存在一些問題。例如：不同的制造廠商有各自獨有的形式，廠家對其產品退化的憂慮、更換的時間間隔以及成本問題阻礙了其被廣泛的接受。所幸的是，業界已認識到這個問題并且開始進行改進。

圖1 一種帶分離式光引擎和支架的新型LED筒燈

Zhaga聯盟的成立

2010年3月，一些來自世界各地的與照明相關的企業首次相聚，組成了Zhaga聯盟，旨在制定LED光引擎接口標準，使不同廠家生產的產品能相互兼容。

Zhaga 網站聲稱：通過對用于各種專用光引擎的接口進行定義，可以實現不同產品間的兼容。Zhaga標準涵蓋了LED光引擎的外型尺寸、以及其光、電、熱特性。 Zhaga聯盟的成立是為了光引擎和燈具消費者及專業買家的利益，期望該標準可以防止由于市場分散化導致燈具光引擎互不相容的情況。Zhaga標準將使LED產品變得容易更換和商業化，同時還能不斷地享受LED技術所賦予的性能升級，從而增強人們去預訂和購買LED產品的信心。此外，還將促進LED照明產品在普通照明領域的技術革新和競爭力。

Zhaga聯盟的會員單位在多個應用領域已經取得了重大的進展，包括下射式照明、局部照明、路燈照明及環境照明（如線性熒光燈）。對于這些應用，Zhaga規范在光引擎和燈具之間定義了四個接口：機械、電氣、熱和光。但規范只對LED光引擎的外部進行了定義，它將光引擎視為一個“黑匣子”，所定義的接口不依賴于光引擎內部使用的技術。這對產品來說是最大限度的創新，保證了相互連接的接口是用戶可以信賴的。

已獲批準的Zhaga標準

Zhaga聯盟自成立以來，已有幾個規范獲得了批準，聯盟的會員單位根據規范的要求開始開發相應的產品。這些標準的確立能確保現有產品之間以及與以后開發的替換產品之間能夠互相兼容。Zhaga聯盟所制定和正在制定的規范概述如下：

圖2 典型的光引擎的安裝組合

第一個規范于2011年2月獲得批準，該規范是為帶控制器(Control Gear)的燈座式光引擎（圖1）制定的，該引擎主要用于聚光燈。幾家公司提供了樣機，并開始投入光引擎和底座（圖2）的開發。該設計在光引擎與散熱片之間創造了一個大的熱界面，使燈具使用壽命更長，并能到達預期LED的性能，只需迅速扭轉便可便捷的更換。

第二個規范在2011年6月的會議上獲得批準，為采用分離式控制器(Control Gear)的LED聚光燈接口規范。如圖所示，其物理尺寸與安裝支架模塊是一致的，因而更換的過程非常簡單。

在2011年9月的會議上，Zhaga聯盟成員批準了第三個Zhaga規范。該規范定義的是采用分離式控制器燈座式聚光燈的接口，其控制器還是置于一個單獨的機架。所不同的是前一個規范中定義的引擎直接用螺釘安裝，而在此新規范中規定在更換時只需簡單地把更換模塊擰入到底座即可。

目前，該聯盟正致力于兩個新規范的制定：

1）通過對幾個方案進行比較和合并，不久將制定出一種用于室內的帶獨立控制器的非嵌入式線性模塊的光引擎裝置的規范。一般一個這種室內燈具可包含幾組矩形模塊和一個控制器。

2）制定采用分離式控制器的非嵌入式道路照明光引擎的規范。

除了光引擎接口規范之外，Zhaga聯盟也正在開發支持與多種光引擎接口相關的其他規范，如物理尺寸，LED控制裝置的安裝位置等。

Zhaga聯盟早在2011年就組織了專人對如何確定LED光引擎的調光進行研究，即光引擎在調光過程中的通用性，他們的首要任務就是研究斷相調光。但Zhaga聯盟尚未打算制定調光方面的Zhaga規范，而是將與NEMA進行合作（NEMA率先制定了適用于LED光引擎的調光接口標準）。

Zhaga聯盟的目標是為了使最終用戶建立信心，在未來，可靠的LED產品會被挑選出來，并可以被很多廠家很好地利用。盡管在照明世界里還會不斷地出現其他的形式，但是對于標準化和高性能LED燈依然有很大的需求，這些在2012年將開始成為現實。