LED应急照明集成技术研究的创新性及成果分析

        随着我国经济的持续高速增长，能源消耗不断增加，能源紧张的矛盾日益突出。“研究开发高效节能、长寿命的半导体照明产品”被列入国家中长期科学和技术发展规划（2006-2020）“能源”领域“工业节能”优先主题，我国半导体照明产业的发展正迎来自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇。

　　2008年我国南方地区先后发生冰雪和地震重大自然灾害，电力中断，严重影响了救灾工作和灾区人民的生活，应急照明产品在救灾抢险、医疗救护等方面显得尤为重要，特别是LED具有体积小、寿命长、效率高、低电压、使用安全、节能等一系列优点，因此科技部将“LED应急照明高效驱动技术与系统可靠性研究”列为2008年863课题进行研究和开发。

　　一、LED应急照明应用的重要性

　　应急照明是现代公共建筑及工业建筑的重要安全设施，它同人身安全和建筑物安全紧密相关。当建筑物发生火灾或其它灾难，电源中断时，应急照明对人员疏散、消防救援工作，对重要的生产、工作的继续运行或必要的操作处置，都有重要的作用。通过LED照明应用产品的研发和推广应用，可以改变我国目前日常照明与应急照明一体化产品匮乏、不能在紧急情况下保证生产生活要求的现状；结合国家节能减排目标的实施，应研制系列民用应急半导体照明产品，此类照明产品除了在日常使用中达到节能要求外，在发生紧急情况时提供足够的光照度及照明时间，用于逃生、抢救财产及修复电力系统。开发在特殊应急环境中自带发电功能的照明产品，达到携带使用方便、可多次循环使用、具有自身防护功能的目标。

　　火灾、地震等自然灾害发生时，应急照明灯是逃生、救灾等的必需设备，预计未来3年内具有应急功能的半导体照明系列应用产品市场需求将超过20亿元。随着我国经济的发展，社会的安全意识和安全标准都有了很大的提升，其中对应急照明产品的要求也越来越高。这不但要求此类产品满足应急需求，还要具备节能、人性化、高可靠性等性能，而应急半导体照明的最大优势正在于此。同时，随着我国经济和社会的发展，救灾抢险、野外施工等离网及恶劣环境下的照明需求越来越高，也对应急半导体照明产品产生了巨大的市场需求。

　　“应急照明高效驱动技术与系统可靠性研究”课题的目标是以应用促开发，突破LED照明应用急需的产业化关键技术，完善半导体照明产业链。通过照明灯具设计、二次光学设计、散热设计、光源结构设计、驱动电路等应用技术系统集成，促进国产化器件在国内产品的规模化应用。

　　主要研究应急照明专用LED光源开发、LED应急照明灯具设计、LED应急照明灯具二次光学配光设计及整体散热设计、应急照明专用驱动电源和智能控制系统开发等内容。

　　主要考核指标为LED光源的发光效率≥100lm/W，热阻：≤9℃/W，灯具发光效率≥80lm/W，色温：3000-6000K;显色指数：≥80;电源功率因数≥0.9，电流总谐波失真≤20%，电源转换效率≥80%.

　　2010年课题完成时，灯具效率达到80lm/W，申请专利5-10项，可满足抗震救灾、野外勘探、军事等应急照明领域的迫切需求，有助于解决应对突发事件的照明保障，建立常年应急照明产品供应机制，实现在灾区重建、西部开发、新农村建设等的示范应用，加快节能减排的有效推广，提升我国半导体照明行业的国际竞争力。

　　二、LED应急照明集成技术研究的难点和创新性

　　LED应用在应急照明上还是刚刚起步，对驱动电路的设计、应急功能的选择及应急灯具的结构设计有待研究，特别是在应急照明的标准和应急灯具的可靠性研究上还处于滞后状态。其主要技术难点如下：

　　1、LED封装技术：科学、合理的LED封装结构，是提高LED光源取光效率和光电转化效率的技术关键。因此根据LED应急照明灯具的要求设计合理的LED封装结构，达到光衰最小化，满足散热要求是LED光源设计的难点。

　　2、LED散热技术：LED的封装散热问题已经成为制约大功率LED发展的关键性因素。为有效解决大功率LED散热问题，将采用有效的散热与不劣化的封装材料，将LED热量有效传导，并解决光衰问题。

　　3、二次配光技术：应急照明灯具最重要的参数是满足室内照明与应急照明的要求，其主要参数有平均照度、照度均匀度和维持照明时间，通过二次光学设计，结合LED的发光特点，设计符合配光要求的光学结构满足应急照明使用要求。

　　4、LED智能控制技术：从LED光源的特性，研究数字智能化控制方式及驱动电源。研究适合于应急照明模式要求的最佳控制方式；研究与各种传感器结合的控制方式，研究适合于应急照明光源的驱动电源及应急电源可靠转换技术。

　　5、应急照明灯具检测方法、可靠性评价方法及相关标准规范的编制和起草。

        厦门华联电子有限公司在国家“十一五”的半导体照明技术攻关以及厦门国家半导体照明工程产业化基地建设中，积累了大量的LED器件设计与制造技术以及半导体照明产品的设计、制造、工程施工管理经验和拥有优秀的技术、管理团队。承担课题研究的照明事业部针对上述技术难点，在光源设计、灯具结构设计、驱动控制技术、检测技术和生产工艺等诸多方面按照课题计划要求，通过不断改进封装结构，优化二次光学设计的灯具结构，灯具检测、可靠性评价等一系列工作。解决了课题研究中遇到的技术和质量问题，在二次光学的优化设计、封装取光效率、散热、控制电路设计及产品可靠性等方面取得了明显进步，按计划完成相关投入，最终开发出满足课题目标的应急照明产品，建立了从光源封装、灯具制造到灯具检测的产业化示范生产线。研究的技术创新性如下：

　　1、光源设计：采用高导热的金属基板或陶瓷材料基板封装，光源选用瓦级功率型芯片或小芯片集成，通过蓝色芯片激发荧光粉混色成白光或RGB三基色混合而成白光两种技术路线，制作适用的应急照明光源。

　　2、光学设计：LED光输出方向性强，光学设计较传统光源有更大的难度。根据LED的光分布特性，通过灯具透镜和反射器的优化设计，改变光传输路径和方向，提高应急照明灯具的光输出效率。

　　3、LED器件及灯具散热技术：通过选用新型材料和结构设计解决LED照明灯具的散热问题，采用热管与共晶焊等技术，将导热材料和LED灯具或芯片直接相连，将LED热量有效传导和散发，降低了LED工作结温，延长了LED及灯具的使用寿命。

　　4、灯具设计：研究开发了适应于LED应急照明的灯具，采用防爆、防潮、防水、耐腐蚀、耐高低温的新型材料，通过工业设计，形成构思新颖、具有创新性、外型美观和具有自主知识产权的应急照明灯具。

　　5、驱动控制电路设计：针对LED应急照明灯具的特性，开发了结构简单、性能可靠、成本相对低廉的恒流驱动电路，形成规范化、标准化、模组化控制电路。

　　6、便携式照明灯具技术集成：满足在特殊应急环境中携带使用方便、具有自发电功能、可多次循环使用的应急照明灯具。

　　7、应急照明的系统技术集成：研究具备日常照明，断电及灯具失效声光报警逃生及救灾应急照明功能的新型室内照明灯具集成技术及其控制技术。

　　三、LED应急照明集成技术研究的主要成果

　　“LED应急照明高效驱动技术与系统可靠性研究”课题主要研究了光源设计及封装技术、驱动控制电路设计和应急灯具设计三个部分。经过两年的科技攻关，课题组在LED光源的制作、应急驱动电路的设计和灯具的设计上，开发了应用于室内照明的应急产品，同时还针对野外照明开发多功能应急产品。在原有照明功能的基础上，加入声光报警、信息指示、方向指南等功能，而在电源支持上除了利用蓄电池组还采用手摇发电方式，延长工作时间，还可支持手机充电。将产品功能与性能进行有效统一，真正做到美观而实用。

　　目前已开发的两大类应急照明产品，其技术性能完全达到课题考核指标：

　　1、室内半导体应急照明主要解决新型具有应急功能的半导体照明灯具及其控制系统技术，该系统具备日常照明，断电及灯具失效声光报警，逃生及救灾应急照明的功能。通过本项目的研发，使得我国在此类产品的可靠性、节电性、导引性等方面的技术性能有较大提升。

　　2、便携式半导体应急照明主要解决在户外无电状况及恶劣环境下，应急使用的半导体照明灯具及其控制系统技术问题。具备便携性好、冲放电性能好、具有自发电功能等。通过本项目的研发，为国内外的野外作业、工程抢险、野外营救等工作提供工具。

　　LED应急照明高效驱动技术与系统可靠性研究，在将成果产业化和市场推广的同时也拉动了巨大的潜在市场，半导体照明在应急灯具上的应用也提高了应急灯具的整个附加值。尽管目前LED应急灯具在应急领域的应用还没有全部铺开，但是根据LED应急灯具的特点及适应性，未来在矿山、商场、楼道等领域将会逐步取代现有的应急灯具，中国巨大市场潜力仍将为LED产业带来无限商机。LED应急照明高效驱动技术与系统可靠性研究，在国内还没有相关的组织进行系统性的研究和产业化，课题研究的技术及成果具有一定的先进性。本课题中的技术多为原创性技术，具有自主研发的知识产权，依托该技术建立的LED封装、驱动电路的设计及灯具设计制造的产业化示范生产线，提升了我国LED应急照明技术在国际上的竞争力。

　　半导体照明是节能的“富矿”，同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的1/10，节能灯的1/2，使用寿命却可以延长几十倍。随着LED技术的快速进步和新的应用不断出现，在应急照明领域的节能效果非常明显。节能可延长照明时间70%，高可靠性可适应各种极端的环境条件，在紧急情况下可为逃生人员提供可靠的照明条件，预计在未来5年内LED应急照明灯具将取代目前普通照明的应急灯具。