增加LED的智能以改善發(fā)光質(zhì)量、效率與成本

數(shù)字控制靈活性使OEM只要設(shè)計(jì)一種控制器，就可以驅(qū)動(dòng)各種最終產(chǎn)品，提升設(shè)計(jì)靈活性，為燈光裝置帶來(lái)新的智能與差異化。

隨著照明業(yè)轉(zhuǎn)向LED技術(shù)， 也增加了對(duì)更智能控制器與驅(qū)動(dòng)器的需求。LED的高效運(yùn)行可以有效抑制家庭與單位上漲的電費(fèi)支出。很多應(yīng)用需要提供恒定不變的照明質(zhì)量，同時(shí)支持先進(jìn)的控制功能，如調(diào)光、色溫均衡，以及精確混色等。應(yīng)用的自診斷可以減少對(duì)技術(shù)人員的需求，從而降低維護(hù)費(fèi)用，遠(yuǎn)程連接也成為這些應(yīng)用的一種常規(guī)要求。

LED照明應(yīng)用中加入智能可能需要從固定功能的LED驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)向基于微控制器或可編程架構(gòu)。專(zhuān)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(yīng)用擁有更高效率和更具性?xún)r(jià)比。向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)化提升了靈活性，可以使照明產(chǎn)品達(dá)到新的智能與差異化水平。

獲得智能平臺(tái)

照明行業(yè)正在快速地利用LED技術(shù)的很多優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)附文“LED的優(yōu)點(diǎn)”)。不過(guò)，LED應(yīng)用對(duì)于所需要支持的能力有著很大的差異。

家居應(yīng)用包括燈泡替換、重點(diǎn)照明， 以及小型室外照明。通常情況下，只需要點(diǎn)亮少數(shù)LED，一般是一串至兩串。鑒于這個(gè)市場(chǎng)存在著低成本壓力，一般不常用到先進(jìn)的控制功能。

商務(wù)應(yīng)用包括熒光鎮(zhèn)流器、燈泡替換，以及重點(diǎn)照明。只需要點(diǎn)亮少數(shù)LED，一般是一串至兩串。雖然關(guān)注成本，但這個(gè)市場(chǎng)也注重節(jié)能。較高端應(yīng)用需要遠(yuǎn)程連接能力，以及某些控制器智能。

娛樂(lè)應(yīng)用包括高端顯示屏和情境照明。對(duì)光強(qiáng)度的完全控制以及始終如一的彩色質(zhì)量是基本需求，另外還要有遠(yuǎn)程連接，以及支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如DALI(可數(shù)字尋址照明接口)和DMX512。

室外與基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)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(yīng)用需要遠(yuǎn)程連接能力，以及高水平的控制器智能。

基于LED 的最簡(jiǎn)單照明系統(tǒng)是使用一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，通常是一個(gè)固定功能的設(shè)備，它提供一種簡(jiǎn)單直接的低成本控制方法。一般來(lái)說(shuō)，它們有不錯(cuò)的功率效率，不需要軟件編程。開(kāi)發(fā)人員頂多是在選擇驅(qū)動(dòng)器或決定電路板上元件的具體數(shù)值時(shí)要做一些計(jì)算。

雖然使用簡(jiǎn)單明確，但很多LED驅(qū)動(dòng)器缺乏更先進(jìn)系統(tǒng)的充分靈活性。要在某個(gè)給定應(yīng)用中支持多種LED類(lèi)型或LED串結(jié)構(gòu)，就可能需要不同的方案。事實(shí)上，系統(tǒng)中的任何修改都可能需要改動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，如一串中LED數(shù)量變化，或一個(gè)裝置中LED串?dāng)?shù)的變化等。因此，一家OEM提供的多數(shù)照明產(chǎn)品都可能需要專(zhuān)門(mén)的模擬驅(qū)動(dòng)器。如果產(chǎn)品數(shù)量眾多，這種要求會(huì)增加OEM或供應(yīng)商的庫(kù)存品種種類(lèi)，可能降低規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，或?qū)е赂叩脑O(shè)備成本。

另一方面，智能控制器則使開(kāi)發(fā)者能夠創(chuàng)造出更靈活的照明系統(tǒng)。在采用微控制器的系統(tǒng)中，可以通過(guò)配置代碼來(lái)支持各種不同類(lèi)型的LED、專(zhuān)有的功率級(jí)需求、不同的串長(zhǎng)度，以及不同的串?dāng)?shù)，而無(wú)需對(duì)硬件做大的改動(dòng)。系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成能自動(dòng)檢測(cè)需要驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)量。微控制器系統(tǒng)的可編程特性甚至能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)的調(diào)光和定時(shí)功能，用于更高級(jí)的照明場(chǎng)景控制與自動(dòng)照度水平。

數(shù)字控制的靈活性使OEM只要設(shè)計(jì)一種控制器，就可以驅(qū)動(dòng)各種最終產(chǎn)品。重新使用控制IP還可以大大降低設(shè)計(jì)投入。一只靈活的控制器可減少需要庫(kù)存的器件數(shù)量，通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)性而降低總的系統(tǒng)成本。

用數(shù)字控制的集成

一個(gè)智能LED照明系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三個(gè)主要部分：功率轉(zhuǎn)換、LED控制和通信(圖1)。

功率轉(zhuǎn)換級(jí)為L(zhǎng)ED提供正確的電壓與電流。開(kāi)始是AC/DC整流，然后是一個(gè)PFC(功率因數(shù)校正)級(jí)，再后面是一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)。高能效的功率轉(zhuǎn)換要求對(duì)這些級(jí)進(jìn)行精確和靈活的控制。

主級(jí)的每個(gè)部分都需要一個(gè)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(dú)立的PFC、DC/DC、LED和通信控制器。而專(zhuān)用的功率電子微控制器可以實(shí)現(xiàn)高度的集成，減少了電源的元件數(shù)量。事實(shí)上，單只微控制器有足夠的性能、功率優(yōu)化外設(shè)及通信端口，可以提供一個(gè)中心化的可編程平臺(tái)，從而協(xié)調(diào)地控制一個(gè)智能照明系統(tǒng)的所有三個(gè)級(jí)，處理有關(guān)電源、LED照明控制與通信的任務(wù)。

數(shù)字功率控制也有可能使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。雖然LED較傳統(tǒng)光源效率有明顯的提升，從而相應(yīng)地降低了使用與電費(fèi)成本，但并非所有LED系統(tǒng)都是相同的。數(shù)字電源控制可以在LED照明系統(tǒng)做調(diào)光、改變顏色輸出，或調(diào)整光強(qiáng)輸出時(shí)，讓功率級(jí)獲得更高效率。同樣，在固定照明條件下，微控制器可以通過(guò)更先進(jìn)的功率級(jí)設(shè)計(jì)，增加運(yùn)行效率。這種效率增長(zhǎng)對(duì)最終用戶(hù)很有吸引力，可以成為兩種LED系統(tǒng)相互比拼時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵差異點(diǎn)。

假設(shè)一個(gè)城市打算更換2000 盞街燈， 正在評(píng)估兩種模型， 相互之間效率有10%的差值(圖2)。對(duì)高效率系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 進(jìn)入系統(tǒng)的輸入功率為178W，而低效率系統(tǒng)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(zhuǎn)換成每年能源成本， 大約能多節(jié)省10 % ，本例中就是33,726美元。節(jié)省余額超過(guò)采用LED系統(tǒng)的節(jié)省。

智能的好處

對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)(包括商業(yè)顯示屏與娛樂(lè)照明)，發(fā)光的質(zhì)量很重要。此時(shí)，質(zhì)量是指輸出穩(wěn)定光強(qiáng)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(chǎn)品線(xiàn)但不同批次LED的器件，可能發(fā)光質(zhì)量也不同，就是因?yàn)榇嬖谥圃觳町?。在單臺(tái)設(shè)備上使用相同批次的LED，就可以保持質(zhì)量的一致性，如果不能做到這點(diǎn)，不同批次LED做的設(shè)備相鄰安裝時(shí)，其發(fā)光質(zhì)量就能產(chǎn)生可察覺(jué)(以及不可接受)的差異。有了智能控制器，系統(tǒng)可以對(duì)任何差異做校準(zhǔn)補(bǔ)償。由于這一工作是軟件完成，因此，如果需要產(chǎn)品的一致性，可以在設(shè)備制造期間完成校準(zhǔn)工藝。

隨著環(huán)境溫度的變化，LED的輸出也會(huì)改變。為補(bǔ)償這個(gè)效應(yīng)，系統(tǒng)需要用一只傳感器檢測(cè)環(huán)境的溫度。微控制器讀出傳感器數(shù)據(jù)，相應(yīng)地調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)地校準(zhǔn)顏色和光強(qiáng)度。由于溫度只需要定期檢查，所以這個(gè)工作的負(fù)荷不高。這也能讓系統(tǒng)監(jiān)控自己本身的安全狀況。例如當(dāng)LED溫度超過(guò)了一個(gè)規(guī)定閾值時(shí)，照明控制器可以降低光強(qiáng)，或關(guān)掉某個(gè)LED串，并遠(yuǎn)程通知工作人員。極端溫度會(huì)使LED過(guò)早老化，使其光輸出降級(jí)。確保LED不超過(guò)某個(gè)溫度，可以延長(zhǎng)其使用壽命。

LED的老化會(huì)影響發(fā)光質(zhì)量，造成顏色的變化。例如，紅色LED要比藍(lán)色LED老化得更快，某個(gè)確定功率輸出或PWM頻率產(chǎn)生的顏色會(huì)隨時(shí)間而漂移。智能控制器可以考慮到老化情況，校正顏色曲線(xiàn)，從而在LED系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)維持一致的發(fā)光。

用于質(zhì)量管控的同種技術(shù)還可以提高安全性和效率,可以調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度以配合當(dāng)前的環(huán)境光，例如在暴風(fēng)雨的天氣，街燈可能提前開(kāi)啟，或當(dāng)有充足的環(huán)境光時(shí)，可以調(diào)低亮度以節(jié)省能耗。交通燈或特殊街燈上的傳感器可以監(jiān)控深夜的交通狀況，如果車(chē)流變多，可以提高街面照明亮度。

在倉(cāng)庫(kù)里，工人可能會(huì)零散地使用不同的空間。通過(guò)室內(nèi)感應(yīng)傳感器，能夠只對(duì)正在使用的部分照明。如果在任何時(shí)間，只用到車(chē)間的50%面積，則其余的燈可以關(guān)閉，節(jié)省一半能耗。

同樣考慮圖2中的街燈例子。在深夜里，很多街燈可以比全亮?xí)r調(diào)暗，因?yàn)榻煌髁肯陆?。如果運(yùn)動(dòng)傳感器之間有通信網(wǎng)絡(luò)，街燈就可以動(dòng)態(tài)地開(kāi)關(guān)，以適應(yīng)車(chē)流的需求。為獲得更高效率，圖2中顯示的178W輸入系統(tǒng)可關(guān)閉25%的燈，相應(yīng)節(jié)省25%的能耗，相當(dāng)于每年68,218美元，以下面幾個(gè)式子計(jì)算：1,819,160kWhr/ 年×75% / 夜晚工作時(shí)間=1,364,370kWhr/年1,364,370kWh r/年×0.15美元/kWhr=204,656美元每年費(fèi)用272,874美元初始的年費(fèi)用減去204,656美元修正后年費(fèi)用=68,218美元每年節(jié)約將電源效率的節(jié)省數(shù)與智能工作的節(jié)省數(shù)相加，每年可節(jié)約101,944美元，約占系統(tǒng)的大約33%。

遠(yuǎn)程連接

遠(yuǎn)程連接是智能照明系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵性能。智能設(shè)備可以自動(dòng)管理自己的運(yùn)行，提升效率與質(zhì)量。但除非設(shè)備可以與中心控制器通信，否則這種智能必須預(yù)先編寫(xiě)好，并且只有單臺(tái)設(shè)備可以獲得最高效率。

通過(guò)將照明系統(tǒng)中的各個(gè)部件連網(wǎng)，開(kāi)發(fā)人員可以協(xié)調(diào)整體裝置中各設(shè)備的運(yùn)行。這樣做能實(shí)現(xiàn)一種全新的功能，包括遠(yuǎn)程調(diào)光、遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)與緊急控制。操作者可以從一個(gè)中心控制位置調(diào)節(jié)整個(gè)光組的照明強(qiáng)度，而不需要單獨(dú)調(diào)節(jié)每盞燈。

為獲得最多功能，每個(gè)部件都必須既能接收信息，也能將信息發(fā)回給操作者。這樣，街燈可以做簡(jiǎn)單的自我診斷，以判斷是LED燒壞，還是性能低于了一個(gè)最小品質(zhì)閾值，然后告知操作員做必要的維護(hù)。這樣，就不需要讓技工去做定期維護(hù)來(lái)確保設(shè)備正常工作，操作人員可以遠(yuǎn)程做出檢查，只有當(dāng)問(wèn)題嚴(yán)重到一定程度時(shí)，才派技工去。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控與LED的長(zhǎng)工作壽命相結(jié)合，可以大大節(jié)省維護(hù)成本，增加運(yùn)行的安全性，因?yàn)榭梢粤⒓磁袛喑龉收稀?/p>

遠(yuǎn)程控制還能實(shí)現(xiàn)其它先進(jìn)功能，這些功能對(duì)工作效率和成本有明顯的影響，能夠動(dòng)態(tài)地控制燈光，以及將多處照明點(diǎn)連網(wǎng)到某處的一個(gè)控制點(diǎn)，這個(gè)控制點(diǎn)也許與實(shí)際燈光位置距離遙遠(yuǎn)。例如，街燈可能需要按照夏令時(shí)做出調(diào)整，此時(shí)不需要派技工去每個(gè)控制箱，照明系統(tǒng)操作人員可以在系統(tǒng)中修改所有燈光的時(shí)間表。操作人員還可以輕易地在時(shí)間表中實(shí)現(xiàn)臨時(shí)改變，例如在晚場(chǎng)結(jié)束的運(yùn)動(dòng)會(huì)后提供道路燈光照明，或者在繁忙季節(jié)中保持工廠照明等。遠(yuǎn)程控制還能在緊急狀況下直接控制燈光，從而提高安全性。

商用與工業(yè)中的智能照明還有一個(gè)更有益的功能，這就是精確地跟蹤功耗情況。例如，過(guò)去街燈的支付費(fèi)率是固定不變的，而有了智能燈光控制器，市政操作人員就可以跟蹤實(shí)際功耗，將數(shù)據(jù)發(fā)至一個(gè)中心控制點(diǎn)，確保該市支付的電費(fèi)不超過(guò)實(shí)際金額。

對(duì)實(shí)際使用情況的數(shù)據(jù)記錄能讓操作人員精確地調(diào)節(jié)自己的運(yùn)行成本規(guī)劃、維護(hù)資源以及未來(lái)投入。它還能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的前瞻性診斷。動(dòng)態(tài)高能耗或需要大量更換燈泡，這些問(wèn)題如果能提早告知操作人員，就可以在它們推高運(yùn)行與維護(hù)成本以前，盡快加以處理。

連接能力也是很多照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 尤其是娛樂(lè)應(yīng)用。這個(gè)市場(chǎng)中已有了很多通信標(biāo)準(zhǔn)， 包括DALI、DMX512和KNX，而支持這些協(xié)議的設(shè)備就擁有了一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。