【導(dǎo)讀】LED照明已經(jīng)是LED市場最前沿最主流的技術(shù)?，F(xiàn)如今LED照明與以太網(wǎng)聯(lián)合，為每一個LED燈和智能LED照明提供動態(tài)監(jiān)測和控制調(diào)控。本文就來講述LED驅(qū)動器未來的發(fā)展歷程。
LED照明是一項近乎主流的技術(shù)。換代規(guī)格的LED燈使物業(yè)管理人員和業(yè)主利用傳統(tǒng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施即可享受LED的較長工作壽命和節(jié)能特性。這些環(huán)境中已安裝局域網(wǎng)(LAN)，以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)提供了前所未有的動態(tài)監(jiān)測和控制每個LED燈以及智能LED照明/傳感器集中器的能力。
在2015年及之后時期，LED必將推動照明系統(tǒng)的設(shè)計
發(fā)光二極管(LED)是一種通過電流時會發(fā)光的半導(dǎo)體器件。LED的應(yīng)用優(yōu)勢在不斷發(fā)展和成熟，使其成為越來越多傳統(tǒng)及新照明應(yīng)用的首選。
LED的優(yōu)勢包括更長的工作壽命、更高的能效(流明/瓦)以及小巧的外形尺寸。例如，LED燈的工作壽命為50,000小時，遠遠超出白熾燈1,000至2,000小時的典型工作壽命，以及緊湊型熒光燈(CFL)5,000至10,000小時的壽命。所以，LED非常適合眾多商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用，這些行業(yè)都要求節(jié)能，并且接觸/安全風(fēng)險和高人工成本都不利于更換照明燈。10WLED燈的發(fā)光亮度相當(dāng)于大約60W白熾燈，這使得LED燈的使用和維護成本低得多。LED可用于傳統(tǒng)燈具，例如MR16；可理想用于更換這些燈座，提供較長時間及較高能效的照明。
LED發(fā)光的波長或顏色依賴于LED構(gòu)造中所用的材料。使用合適的驅(qū)動器，LED則具有更大的設(shè)計靈活性，便于調(diào)光和更改發(fā)光顏色。與合適的控制器及傳感器配合使用時，可根據(jù)環(huán)境中條件的變化調(diào)節(jié)發(fā)光量和顏色。這種能力使其可理想用于室內(nèi)照明以及可調(diào)光路燈和室外照明等應(yīng)用，根據(jù)環(huán)境光變化改變其亮度。LED調(diào)光節(jié)省的電能大約為1:1，所以將LED調(diào)光至50%將節(jié)省大約50%的電能。
設(shè)計者不斷將LED應(yīng)用于日益增長的各種照明應(yīng)用。我們討論兩種場景下的LED應(yīng)用。設(shè)計者在傳統(tǒng)規(guī)格燈具中使用LED模塊，例如MR16，LED必須與已有的電力基礎(chǔ)設(shè)施配合工作，發(fā)揮LED燈的優(yōu)勢。相比之下，以太網(wǎng)供電(PoE)LED照明網(wǎng)絡(luò)則采用較新或并聯(lián)的電力基礎(chǔ)設(shè)施。在討論這些應(yīng)用空間之前，我們簡要回顧一下LED驅(qū)動器。
圖1：LED驅(qū)動器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為LED要求的電平
LED驅(qū)動器
LED驅(qū)動器為低壓元件，將輸入電壓，例如120V、220V或277V，轉(zhuǎn)換為LED要求的低壓。這些驅(qū)動器也解析控制信號，調(diào)暗、調(diào)亮以及更改發(fā)光顏色(圖1)。LED驅(qū)動器可采用恒流(例如350mA、700mA或1050mA)或恒壓(通常為12V或24V)配置。這兩種類型的驅(qū)動器不可互相交換。燈具制造商選擇驅(qū)動器類型和配置，以匹配燈具中所用LED模塊的電氣要求。本文中我們以恒流驅(qū)動器為例進行討論。
恒流驅(qū)動器支持脈寬調(diào)制(PWM)和恒流調(diào)光(CCR)法，在LED調(diào)光時調(diào)節(jié)輸出電流。LED應(yīng)用要求電流恒定，以確保輸入電壓波動時LED燈輸出保持不變。LED驅(qū)動器不僅驅(qū)動高端和低端照明，也負責(zé)連續(xù)或步進調(diào)光。設(shè)計者根據(jù)大量應(yīng)用要求的各種組合將驅(qū)動與LED進行匹配，包括驅(qū)動的LED數(shù)量、電源類型以及LED的功能特性。匹配或?qū)崿F(xiàn)不好的LED驅(qū)動器實際上會縮短照明燈的工作壽命，引起不可預(yù)期的照明問題，例如閃變。
如果LED發(fā)光的幅度和/或頻率被周期性調(diào)制或波動(不可預(yù)期)，人眼會感測到。如果輸入電流快速變化造成LED燈輸出發(fā)生快速變化，LED就容易發(fā)生閃爍。引起閃爍的原因有很多，包括電源噪聲、控制噪聲、元件容限以及LED驅(qū)動器電路設(shè)計問題。
好的LED驅(qū)動器設(shè)計應(yīng)考慮所有的內(nèi)部和外部因素，為LED提供恒定、無振蕩電流，實現(xiàn)無閃爍調(diào)光。
翻新改造
LED的較長壽命和較高效率使其可理想用于代替其它照明技術(shù)，尤其是白熾燈和鹵素?zé)?。將LED用于已有照明基礎(chǔ)設(shè)施時，主要面臨兩項挑戰(zhàn)。首先，更換的照明燈必須符合傳統(tǒng)光源的外形尺寸；其次，必須在已有電氣基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境下無閃爍地正確工作。
將LED安裝至現(xiàn)有外形尺寸，例如MR16(圖2)，不僅限制了驅(qū)動器電路板的尺寸，而且也要考慮設(shè)計本身的散熱問題。
圖2：MR16規(guī)格燈具被改造為LED版本
由于LED僅發(fā)射可見光，所以熱傳導(dǎo)散熱高于白熾燈或鹵素?zé)簟Ｉ嵋彩窍拗普彰鳠舢a(chǎn)生發(fā)光量的因素之一。當(dāng)今換代燈采用的LED技術(shù)幾乎達不到主流市場可接受的亮度水平。提高亮度限值，以及隨之而來的散熱設(shè)計，對于設(shè)計一款商業(yè)上成功的產(chǎn)品是必不可少的。散熱的一個必然結(jié)果就是影響驅(qū)動板的使用壽命。為發(fā)射更多的光，照明燈就必須工作在相對較高的溫度下(+80°C至+100°C)。在這種溫度環(huán)境下，容易受高溫影響的驅(qū)動器電路板會限制整個LED燈的工作壽命。
為了能夠在現(xiàn)有電氣規(guī)格下正確工作，換代LED燈必須能夠配合基礎(chǔ)設(shè)施正確工作，包括切角(三端雙向可控硅/前沿或后沿)調(diào)光器和磁性或電子式變壓器。每種基礎(chǔ)設(shè)施都存在自身的技術(shù)問題。
對于鹵素?zé)?，由于耗流足夠高，能夠保證調(diào)光器保持導(dǎo)通，所以調(diào)光器工作得很好。然而，LED換代燈則不能支持可控硅調(diào)光器很好地工作，因為它既不能提供所需的啟動電流又不能提供保持電流。造成的結(jié)果就是調(diào)光器不能正常啟動或在工作時關(guān)閉，LED燈產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。
電子式變壓器具有其自身的設(shè)計注意事項：要求負載為電阻性，但LEDMR16燈不是電阻負載。因此，需要改變負載特性，防止電子變壓器關(guān)斷。LEDMR16燈設(shè)計中的一項最大障礙是開發(fā)無閃爍調(diào)光并兼容電子變壓器的照明燈。電子變壓器遠小于傳統(tǒng)磁性變壓器，當(dāng)LED燈所需的電流較低時，是一項艱巨的設(shè)計問題。較低的LED電流造成大多數(shù)LED燈不能與電子式變壓器配合工作。調(diào)光器會進一步減小電流，加劇了這一困難。
Maxim的MAX16840LED驅(qū)動器采用擁有專利的固定頻率、平均電流模式控制方法，解決了這一問題，并且也兼容絕大多數(shù)電子變壓器和后沿調(diào)光器。
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以太網(wǎng)供電(PoE)
LED照明是一項近乎主流的技術(shù)。此外，LED很容易配合傳感器、無線通信模塊以及嵌入式處理器進行工作。這種多用途性允許LED燈具變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)傳感器集中器，利用隔離的本地嵌入式處理器，照明系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)能。將智能LED燈/傳感器集中器連接至局域網(wǎng)(LAN)，允許已安裝的LED集中器快速支持并充分利用IoT(物聯(lián)網(wǎng))上涌現(xiàn)出的新功能，無需更換昂貴的照明燈，提供適應(yīng)未來發(fā)展的技術(shù)(圖3)。PoE非常適合于通過LAN供電、連接和控制智能LED集中器。PoE技術(shù)受IEEE802.3標準的約束，標準規(guī)定通過單根標準網(wǎng)線(如cat5)直接為所連設(shè)備的網(wǎng)口供電以及進行數(shù)據(jù)通信。使用PoE降低了兼容IP設(shè)備的部署和安裝成本，包括LED燈和傳感器集中器。由于只需要布設(shè)一根數(shù)據(jù)電纜，所以布線成本較低；無需獨立的電源電纜。由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)布線無需雇傭有執(zhí)照、有資質(zhì)的電工，所以安裝成本較低。由于既能夠通過所連設(shè)備的電源實現(xiàn)離散控制，又能夠在斷電期間僅使用網(wǎng)絡(luò)連接提供電源備份，所以PoE網(wǎng)絡(luò)支持更好的總體網(wǎng)絡(luò)電源管理。PoE支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)。
最初的PoE標準頒布于2003年，2009年更新。通過交換機/集線器上的供電設(shè)備(PSE)供電。IEEE802.3標準允許PSE用于中跨模式，將電源插入至網(wǎng)絡(luò)中。該方法支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，能夠更好地控制被供電網(wǎng)絡(luò)。接收供電的連接設(shè)備通常被稱為用電設(shè)備(PD)。
為支持傳統(tǒng)設(shè)備，PSE可通過兩對線供電，使用3類或更好電纜時，最大功率為15.4W，電壓范圍為44VDC至57VDC。該標準也規(guī)定，使用5類或更好電纜時，PSE可提供30W(通過兩對線)或60W(通過四對線)功率，電壓范圍為50VDC至57VDC。對于這三種功率情形，PD被限制為最大功率分別為13.0W、25.5W或51W(考慮到電纜中的最差工作條件下的功率損耗)—全部為37VDC至57VDC電壓范圍。
圖3：整合傳感器的LED變?yōu)榱酥悄芫W(wǎng)絡(luò)集中器
初次連接期間，PD與PSE協(xié)商其功率級別。所有PD在其供電線對上有一個25kΩ電阻，允許PSE檢測PD何時連接到網(wǎng)絡(luò)以及何時從網(wǎng)絡(luò)斷開。
PoE不影響數(shù)據(jù)通信性能，而實際上通過PoE單元及所連設(shè)備之間的功耗協(xié)商，防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過載。只為兼容設(shè)備供電，防止向不兼容的傳統(tǒng)設(shè)備供電。這種方法允許用戶在其網(wǎng)絡(luò)上隨意、安全地混合使用傳統(tǒng)設(shè)備和PoE兼容設(shè)備。
在PoE配置中，每個LED燈具可為標準RJ45連接器即插即用設(shè)備，自身擁有IP地址，可獨立尋址。通過PoE連接智能LED集中器(集成傳感器和無線訪問點)，可為發(fā)光的每個LED集中器供電。PoE連接也支持每個LED集中器從其各種傳感器收集信息，并將數(shù)據(jù)送回至控制器(圖4)。收集的信息可能包括環(huán)境光、溫度、濕度以及匿名的房間使用率數(shù)據(jù)。例如，感應(yīng)傳感器可用于確保只在有人進入房間時才打開照明燈。當(dāng)傳感器檢測不到任何人存在時，則自動關(guān)閉照明。或者，環(huán)境光傳感器支持日光收集，因為LED照明在日光不足時自動調(diào)節(jié)，以維持照明。
通過PoE操作，LED照明系統(tǒng)變?yōu)橐粋€信息網(wǎng)絡(luò)，所以用戶可控制其附近的照明和溫度。系統(tǒng)能夠訪問其它建筑服務(wù)(比如通過智能電話)，例如接近檢測傳感器，以發(fā)現(xiàn)最近的空閑會議室；也使物業(yè)經(jīng)理能夠更好地測量、監(jiān)測和控制其它建筑系統(tǒng)，例如實時采暖和通風(fēng)。物業(yè)經(jīng)理現(xiàn)在可利用這些數(shù)據(jù)進行歷史趨勢分析，進而發(fā)現(xiàn)改進能源效率和運營效率的機會。改進效率的機會包括調(diào)節(jié)溫度、照明以及根據(jù)用戶的實際行為制定清潔計劃。CAT5e/6/6ACABLEDIMMERPATCHPANELMOTIONSENSORS
圖4：聯(lián)網(wǎng)的照明和傳感器能夠為任何使用照明的區(qū)域帶來新功能
PoELED網(wǎng)絡(luò)提供適應(yīng)未來發(fā)展的附加利益，因為LED照明(以及集成的智能傳感器集中器)已經(jīng)部署在人們聚集的位置。如果物業(yè)經(jīng)理希望增加新傳感器或通信模塊，例如分布式短程無線訪問點，則能夠以較低的利潤成本實現(xiàn)，因為電力和數(shù)據(jù)已經(jīng)連接到最有利的位置。
PoE是LED照明的未來。MaximLED驅(qū)動器支持較寬范圍電壓(MAX16832：6.5V至65V)和輸出電流(MAX16832：1A)，可理想用于支持PoE應(yīng)用。這些器件支持模擬和PWM控制，可實現(xiàn)無閃爍平滑調(diào)光。器件集成了多種外部元件，包括MOSFET，滿足小尺寸要求。
總結(jié)
換代LED燈可使用戶在使用傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施情況下享受LED照明的工作和控制優(yōu)勢。PoE支持LED照明網(wǎng)絡(luò)使用安裝、維護和改造均比傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施更簡單、價格更便宜的電源。PoE供電的LED照明網(wǎng)絡(luò)前所未有地為物業(yè)經(jīng)理和大廈業(yè)主提供了動態(tài)監(jiān)測和控制每個LED燈的能力。由于PoE供電的LED照明網(wǎng)絡(luò)很容易與其它元件集成，例如傳感器和無線通信模塊，所以就提供了適應(yīng)未來發(fā)展的方法，很容易支持IoT中不斷涌現(xiàn)的新功能。
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