【導(dǎo)讀】在智慧城市和工業(yè) 4.0 環(huán)境下，具有無線控制功能的 LED 照明系統(tǒng)的使用越來越廣泛，因?yàn)樗鼛砹酥T多好處，包括降低能源成本（相應(yīng)地減少碳排放）、照明水平可控，以及因 LED 燈具的更高可靠性和更長使用壽命而降低維護(hù)成本。為了實(shí)現(xiàn)最佳效果，這些 LED 照明系統(tǒng)需要具有各種操作模式、傳感和保護(hù)功能的照明控制器，還需要高效率和 90 至 300 伏交流電 (VAC) 的寬工作電壓范圍，以及高功率因數(shù) (PF) 和低總諧波失真 (THD)。
在智慧城市和工業(yè) 4.0 環(huán)境下，具有無線控制功能的 LED 照明系統(tǒng)的使用越來越廣泛，因?yàn)樗鼛砹酥T多好處，包括降低能源成本（相應(yīng)地減少碳排放）、照明水平可控，以及因 LED 燈具的更高可靠性和更長使用壽命而降低維護(hù)成本。為了實(shí)現(xiàn)最佳效果，這些 LED 照明系統(tǒng)需要具有各種操作模式、傳感和保護(hù)功能的照明控制器，還需要高效率和 90 至 300 伏交流電 (VAC) 的寬工作電壓范圍，以及高功率因數(shù) (PF) 和低總諧波失真 (THD)。此外，完整配置系統(tǒng)還需要微控制器 (MCU)、數(shù)據(jù)集中器和無線收發(fā)器。從頭開始設(shè)計(jì)無線 LED 照明控制系統(tǒng)是一項(xiàng)多學(xué)科的任務(wù)，需要承擔(dān)很大的風(fēng)險(xiǎn)，并可能延遲上市時(shí)間。
作為替代方法，設(shè)計(jì)人員可以使用預(yù)制的聯(lián)網(wǎng) LED 照明控制開發(fā)平臺(tái)。這些平臺(tái)具有高能效、高 PF，以及全面的無線控制功能（開/關(guān)、調(diào)光和其他模式）和多個(gè)獨(dú)立控制的 LED 通道，提供最大的設(shè)計(jì)靈活性。此類平臺(tái)包括支持低功耗藍(lán)牙 (BLE)、Zigbee 和 6LoWPAN 等協(xié)議的無線通信模塊。此外，開發(fā)環(huán)境也支持這些平臺(tái)，包括可定制固件、Free RTOS 和各種用例。
本文首先回顧了基本的 LED 操作和燈具結(jié)構(gòu)，以及衡量 LED 和燈具能效的指標(biāo)。然后討論了在智慧城市和工業(yè) 4.0 應(yīng)用中使用分流器來最大限度提高燈具的可靠性和性能。最后，本文介紹了 STMicroelectronics 和 onsemi 的預(yù)制互聯(lián) LED 照明驅(qū)動(dòng)和控制開發(fā)平臺(tái)及相關(guān)組件，以及設(shè)計(jì)和部署方面的考慮因素。
智能 LED 照明控制主要是控制每個(gè)燈串的 LED 之間的交互，以優(yōu)化燈具性能。它還包含智能電源轉(zhuǎn)換，并擴(kuò)展了功能以對(duì)多個(gè)燈具進(jìn)行無線控制，包括硬件和軟件，從而最大限度地提高街道照明和工業(yè)照明網(wǎng)絡(luò)的性能。
典型的 LED 燈具包括多個(gè)串聯(lián)在一個(gè)或多個(gè)燈串中的 LED。每個(gè) LED 的驅(qū)動(dòng)電壓約為 3.5 V。一個(gè)燈串通常包含 10 至 30 個(gè) LED，工作電壓為 40 至 100 V，電流約為 0.35 至 1.0 A，具體取決于各個(gè) LED 的亮度（圖 1）。
圖 1：用于智能燈具的兩串各 16 個(gè) LED 的燈串。（圖片來源：Onsemi）
光源的亮度以流明 (lm) 為單位，其衡量人眼的視亮度，并考慮到眼睛對(duì)各種波長的可見光的敏感性。光源產(chǎn)生亮度的效率稱為發(fā)光效率，測(cè)量單位為 lm/W。與其他常見的照明技術(shù)相比，LED 具有更高的發(fā)光效率。然而，并非所有 LED 都具有相同的發(fā)光效率，有些 LED 的發(fā)光效率明顯高于其他 LED。此外，如果用更大的電流驅(qū)動(dòng)，一個(gè)特定的 LED 可以產(chǎn)生更多的光。
LED 比其他照明技術(shù)更可靠，但它們并不完美。LED 可能會(huì)出現(xiàn)故障，特別是在高性能燈具中由大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，例如那些用于街道照明和工業(yè)照明的 LED。LED 故障可能是短路或開路。如果燈串中的一個(gè) LED 發(fā)生短路故障，該 LED 會(huì)變黑，但燈串中的其余 LED 繼續(xù)工作。電流繼續(xù)流經(jīng)短路的 LED，使其加熱到可以成為開路的程度，導(dǎo)致整個(gè)燈串變暗。
分流 LED
LED 燈具設(shè)計(jì)師面臨著在更小的燈具中提供更高亮度的挑戰(zhàn)。這往往需要 LED 在較高的溫度下長期運(yùn)行，可能導(dǎo)致 LED 故障。尤其是預(yù)計(jì)工作壽命長達(dá) 15 年的路燈燈具。旁路分流器有助于滿足對(duì)更高工作溫度和延長壽命的矛盾要求。當(dāng)一個(gè) LED 在開路狀態(tài)下發(fā)生故障時(shí)，分流器會(huì)將該 LED 旁路，保持燈串正常運(yùn)行，因此燈串不會(huì)變暗，只有發(fā)生故障的 LED 變暗（圖 2）。
圖 2：如果沒有旁路分流器，單個(gè) LED 的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)燈串失效（左）。使用旁路分流器，只有故障的 LED 變暗，而燈串中的其余 LED 繼續(xù)工作（右）。（圖片來源：Onsemi）
根據(jù)燈具設(shè)計(jì)的需要，分流器可用于繞過一個(gè)或兩個(gè) LED（圖 3）。如果一個(gè) LED 發(fā)生故障，繞過每個(gè) LED 可實(shí)現(xiàn)最小的亮度下降，而繞過兩個(gè) LED 可以將分流器的數(shù)量減少一半，適用于對(duì)成本更敏感的解決方案。例如，onsemi 的 NUD4700SNT1G 可用于旁路燈串中的單個(gè) LED，如果 LED 恢復(fù)工作或被更換，該分流器將自動(dòng)復(fù)位。STMicroelectronics 的 LBP01-0810B 可以旁路 1 個(gè)或 2 個(gè)LED，提高了設(shè)計(jì)靈活性并減少了零件數(shù)量。LBP01-0810B 還提供針對(duì)浪涌的過壓保護(hù)，符合 IEC 61000-4-2 和 IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)。
圖 3：可用于旁路 1 個(gè)（左）或 2 個(gè)（右）LED 的 LED 分流器（虛線框內(nèi)）可用。（圖片來源：Onsemi）
智能街道照明
智能街道照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以借助 STMicroelectronics 的 STEVAL-LLL006V1 板來評(píng)估大功率 LED 照明的選擇（圖 4）。集成的 HVLED001A LED 照明控制器包括各種工作模式、傳感和保護(hù)機(jī)制，并使用 STP21N90K5 MOSFET 構(gòu)建了一個(gè)智能而高效的電源轉(zhuǎn)換器。該 LED 驅(qū)動(dòng)板使用 VIPER012LSTR 離線高壓轉(zhuǎn)換器 IC，提供 60 至 110 V 直流電輸出，恒定電流為 0.7 A。為滿足智能街道照明應(yīng)用的需要，該驅(qū)動(dòng)器的輸入范圍為 90 至 300VAC，PF 值超過 0.97，THD 低于 15%。嵌入式 SPSGRFC 亞千兆赫 (GHz) 收發(fā)器模塊可用于接收開、關(guān)和調(diào)光命令，并將其發(fā)送到集成的 STM32L071KZ 微控制器。該收發(fā)器支持五級(jí)模擬調(diào)光。
圖 4：STEVAL-LLL006V1 LED 照明開發(fā)板是集電源管理和無線連接于一體的平臺(tái)的組成部分。（圖片來源：STMicroelectronics）
開發(fā)工具
為了加快開發(fā)進(jìn)程并突出 STEVAL-LLL006V1 評(píng)估板的功能，還提供了數(shù)據(jù)集中器單元 (DCU) 和 Android 移動(dòng)應(yīng)用程序。DCU 是在 NUCLEO-F401RE 平臺(tái)上構(gòu)建的集成評(píng)估環(huán)境。它包含一塊 X-NUCLEO-IDS01A4 板，用于與 STEVAL-LLL006V1 進(jìn)行亞千兆赫通信，還包含一塊 X-NUCLEO-IDB05A2 板，用于與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行藍(lán)牙通信。STMicroelectronics 還提供 6LoWPAN 智能街道照明移動(dòng)應(yīng)用，可用于組建智能街道照明控制器網(wǎng)，并評(píng)估網(wǎng)絡(luò)功能。
工業(yè) LED 照明
互聯(lián)的工業(yè) LED 照明解決方案可以使用 onsemi 的 LIGHTING-1-GEVK 互聯(lián)照明平臺(tái)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。該開發(fā)平臺(tái)具有無線控制功能，可選擇使用離線 AC/DC 電源或可選以太網(wǎng)電源 (PoE)、LED 模塊和 LED 驅(qū)動(dòng)模塊，以及將所有模塊連接在一起的 BLE 連接模塊。可用的控制選項(xiàng)包括使用 onsemi 的 RSL10 Sense and Control 移動(dòng)應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)客戶端。該開發(fā)平臺(tái)包括 Free RTOS、帶有可定制固件的 CMSIS-Pack 和幾個(gè)用例，以開始探索使用互聯(lián)工業(yè) LED 照明解決方案。
基礎(chǔ)的 LIGHTING-1-GEVK 套件包括一個(gè)雙 LED 驅(qū)動(dòng)器、帶有兩個(gè) LED 燈串的 LED 板、一個(gè) AC/DC 電源以及一個(gè) BLE 通信模塊（圖 5）。另有一個(gè) PoE 電源模塊，可提供高達(dá) 90 W 的電力。套件中各種板的一些關(guān)鍵規(guī)格包括：
· 雙 LED 驅(qū)動(dòng)器：包括兩個(gè) FL7760 LED 驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器提供高達(dá) 25 W 的功率，效率高達(dá) 96%；4,000 步調(diào)光，可調(diào)低至 0.6%；遙測(cè)數(shù)據(jù)，包括每個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器的電流和電壓測(cè)量；以及一個(gè)可插拔 MCU 模塊的接頭，支持無線連接。
· LED 板：雙獨(dú)立通道，每個(gè)通道有 16 個(gè) LED。一個(gè)通道的 LED 額定亮度為 121 lm，另一個(gè)通道的 LED 額定亮度為 95 lm，總可用亮度為 7,000 lm。
· AC/DC 電源：包括兩個(gè)帶 PFC 的 FL7740 初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)反激式控制器，在 90 至 270 VAC的輸入范圍內(nèi)工作，在 55 V 時(shí)輸出 70 W 的電力，為 LED 驅(qū)動(dòng)板供電，PF 值超過 0.99，效率超過 91%。
· BLE 模塊：互聯(lián)照明平臺(tái)使用三種 BLE 服務(wù)；照明控制服務(wù)由連接的設(shè)備用于遠(yuǎn)程讀取和更改 LED 的狀態(tài)；遙測(cè)服務(wù)由連接的設(shè)備用于監(jiān)測(cè) LED 驅(qū)動(dòng)器中的電壓和電流；PoE 供電服務(wù)提供關(guān)于 PoE 供電器對(duì)設(shè)備施加的 PoE 功率限制的信息。
圖 5：基礎(chǔ)開發(fā)套件包括一個(gè)雙 LED 驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè) LED 燈串、AC/DC 電源和一個(gè) BLE 連接模塊。（圖片來源：Onsemi）
擴(kuò)展板
LIGHTING-1-GEVK 套件有兩塊擴(kuò)展板，即 BLE-SWITCH001-GEVB 能量收集 BLE 開關(guān)，以及 MULTI-SENSE-GEVB 多傳感器板（圖 6）。LED 的亮度可通過 BLE 開關(guān)控制。按住開關(guān)時(shí)，亮度增加。松開開關(guān)或達(dá)到最大亮度時(shí)，光強(qiáng)度保持不變。再按一次開關(guān)，亮度就會(huì)降低。多傳感器板支持包括環(huán)境光傳感器、環(huán)境傳感器和/或慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的系統(tǒng)原型開發(fā)。
圖 6：LIGHTING-1-GEVK 套件有兩個(gè)擴(kuò)展板可用，一個(gè)是 BLE 開關(guān)，一個(gè)是多傳感器板（頂部綠框）。（圖片來源：Onsemi）
設(shè)計(jì)和部署選項(xiàng)
LED 路燈和工業(yè)照明燈具引發(fā)了照明網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和部署的重新思考。與通常被其取代的技術(shù)不同，LED 可調(diào)光，因而為設(shè)計(jì)智慧城市和智能工業(yè) 4.0 設(shè)施創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，可整合各種因素，如交通/使用模式、當(dāng)日時(shí)間，甚至還有一套傳感器，以根據(jù)需要優(yōu)化照明水平。
在智慧城市中，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是自然的選擇，而在工業(yè) 4.0 設(shè)施中，可以通過無線或以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)控制。以太網(wǎng)的好處是既能提供電力，又能實(shí)現(xiàn)通信。在這兩種情況下，溫度、濕度、甚至攝像傳感器都可以集成到燈具中，以擴(kuò)展其功能。此外，還可以監(jiān)測(cè)燈具本身的運(yùn)行狀況，如內(nèi)部溫度、LED 短路或開路以及其他因素，以幫助安排預(yù)防性維護(hù)并降低運(yùn)營成本。
總結(jié)
如上所述，設(shè)計(jì)可靠高能效的互聯(lián) LED 照明系統(tǒng)，要從燈具的設(shè)計(jì)開始。選擇的 LED 需要能夠提供最佳亮度水平，而使用分流器可以顯著提高燈具的可靠性和性能。在智慧城市和工業(yè) 4.0 設(shè)施中使用有線或無線連接的 LED 照明，除了減少能耗，還能夠降低持續(xù)的維護(hù)和運(yùn)營成本。全面的開發(fā)平臺(tái)可以幫助加快智能互聯(lián) LED 照明解決方案的設(shè)計(jì)和部署。
（來源：中電網(wǎng)，作者：Jeff Shepard）
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