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價(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)品都可能需要專門的模擬驅(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，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)支持各種不同類型的LED、專有的功率級(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，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)地開關(guān)，以適應(yīng)車流的需求。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)。