智能照明的發光質量、效率與成本討論

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-02-16

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 隨著照明業轉向LED技術，也增加了對更智能控制器與驅動器的需求。LED的高效運行可以有效抑制家庭與單位上漲的電費支出。很多應用需要提供恒定不變的照明質量，同時支持先進的控制功能，道路照明，如調光、色溫均衡，照明資質，以及精確混色等。應用的自診斷可以減少對技術人員的需求，從而降低維護費用，遠程連接也成為這些應用的一種常規要求。

 

　　LED照明應用中加入智能可能需要從固定功能的LED驅動器轉向基于微控制器或可編程架構。專用的功率電子微控制器還能夠在照明控制與通信以外控制照明電源，從而使照明應用擁有更高效率和更具性價比。向數字控制的轉化提升了靈活性，可以使照明產品達到新的智能與差異化水平。

 

　　獲得智能平臺

 

　　照明行業正在快速地利用LED技術的很多優點(見附文“LED的優點”)。不過，LED應用對于所需要支持的能力有著很大的差異。

 

　　家居應用包括燈泡替換、重點照明，以及小型室外照明。通常情況下，戶外照明，只需要點亮少數LED，一般是一串至兩串。鑒于這個市場存在著低成本壓力，一般不常用到先進的控制功能。

 

　　商務應用包括熒光鎮流器、燈泡替換，以及重點照明。只需要點亮少數LED，一般是一串至兩串。雖然關注成本，但這個市場也注重節能。較高端應用需要遠程連接能力，以及某些控制器智能。

 

　　娛樂應用包括高端顯示屏和情境照明。對光強度的完全控制以及始終如一的彩色質量是基本需求，另外還要有遠程連接，以及支持業界標準協議，如DALI(可數字尋址照明接口)和DMX512。

 

　　室外與基礎設施應用包括街道照明以及工廠和大型辦公樓的照明。通常需要大量LED，必須支持很多燈串;高亮度LED也很常用。這些應用需要遠程連接能力，以及高水平的控制器智能。

 

　　基于LED的最簡單照明系統是使用一個LED驅動器，通常是一個固定功能的設備，它提供一種簡單直接的低成本控制方法。一般來說，它們有不錯的功率效率，不需要軟件編程。開發人員頂多是在選擇驅動器或決定電路板上元件的具體數值時要做一些計算。

 

　　雖然使用簡單明確，但很多LED驅動器缺乏更先進系統的充分靈活性。要在某個給定應用中支持多種LED類型或LED串結構，就可能需要不同的方案。事實上，系統中的任何修改都可能需要改動驅動器，如一串中LED數量變化，或一個裝置中LED串數的變化等。因此，一家OEM提供的多數照明產品都可能需要專門的模擬驅動器。如果產品數量眾多，這種要求會增加OEM或供應商的庫存品種種類，可能降低規模經濟性，或導致更高的設備成本。

 

　　另一方面，智能控制器則使開發者能夠創造出更靈活的照明系統。在采用微控制器的系統中，可以通過配置代碼來支持各種不同類型的LED、專有的功率級需求、不同的串長度，以及不同的串數，而無需對硬件做大的改動。系統可以設計成能自動檢測需要驅動的LED數量。微控制器系統的可編程特性甚至能夠實現高級的調光和定時功能，用于更高級的照明場景控制與自動照度水平。

 

　　數字控制的靈活性使OEM只要設計一種控制器，就可以驅動各種最終產品。重新使用控制IP還可以大大降低設計投入。一只靈活的控制器可減少需要庫存的器件數量，通過規模經濟性而降低總的系統成本。

 

　　用數字控制的集成

 

　　一個智能LED照明系統的基本架構包括三個主要部分：功率轉換、LED控制和通信。

 

　　功率轉換級為LED提供正確的電壓與電流。開始是AC/DC整流，然后是一個PFC(功率因數校正)級，再后面是一個或多個并聯的DC/DC轉換級。高能效的功率轉換要求對這些級進行精確和靈活的控制。

 

　　主級的每個部分都需要一個智能控制器，以維持其效率及功能。固定功能的模擬方案可能需要獨立的PFC、DC/DC、LED和通信控制器。而專用的功率電子微控制器可以實現高度的集成，減少了電源的元件數量。事實上，單只微控制器有足夠的性能、功率優化外設及通信端口，ROSH認證，可以提供一個中心化的可編程平臺，從而協調地控制一個智能照明系統的所有三個級，處理有關電源、LED照明控制與通信的任務。

 

　　數字功率控制也有可能使動態系統實現更高的轉換效率。雖然LED較傳統光源效率有明顯的提升，從而相應地降低了使用與電費成本，但并非所有LED系統都是相同的。數字電源控制可以在LED照明系統做調光、改變顏色輸出，或調整光強輸出時，讓功率級獲得更高效率。同樣，LED照明品牌，在固定照明條件下，微控制器可以通過更先進的功率級設計，增加運行效率。這種效率增長對最終用戶很有吸引力，可以成為兩種LED系統相互比拼時的一個關鍵差異點。

 

　　假設一個城市打算更換2000盞街燈，正在評估兩種模型，相互之間效率有10%的差值(圖2)。對高效率系統來說，進入系統的輸入功率為178W，而低效率系統需要200W才能獲得相同效果的160W光輸出。這樣單是電源本身的功率，轉換成每年能源成本，大約能多節省10%，本例中就是33,726美元。節省余額超過采用LED系統的節省。

 

　　智能的好處

 

　　對于很多應用來說(包括商業顯示屏與娛樂照明)，發光的質量很重要。此時，質量是指輸出穩定光強與顏色的能力。影響LED性能有三大主要因素：制造差異、溫度和老化。

 

　　不同批次的LED輸出可能有很大變化;采用同一產品線但不同批次LED的器件，可能發光質量也不同，就是因為存在制造差異。在單臺設備上使用相同批次的LED，就可以保持質量的一致性，如果不能做到這點，不同批次LED做的設備相鄰安裝時，其發光質量就能產生可察覺(以及不可接受)的差異。有了智能控制器，系統可以對任何差異做校準補償。由于這一工作是軟件完成，因此，如果需要產品的一致性，可以在設備制造期間完成校準工藝。

 

　　隨著環境溫度的變化，LED的輸出也會改變。為補償這個效應，系統需要用一只傳感器檢測環境的溫度。微控制器讀出傳感器數據，相應地調節LED驅動，動態地校準顏色和光強度。由于溫度只需要定期檢查，所以這個工作的負荷不高。這也能讓系統監控自己本身的安全狀況。例如當LED溫度超過了一個規定閾值時，照明控制器可以降低光強，或關掉某個LED串，并遠程通知工作人員。極端溫度會使LED過早老化， led亮化工程，使其光輸出降級。確保LED不超過某個溫度，可以延長其使用壽命。