增加LED的智能以改善發(fā)光質(zhì)量、效率與成本

數字控制靈活性使OEM只要設計一種控制器，就可以驅動(dòng)各種最終產(chǎn)品，提升設計靈活性，為燈光裝置帶來(lái)新的智能與差異化。

隨著(zhù)照明業(yè)轉向LED技術(shù)， 也增加了對更智能控制器與驅動(dòng)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(zhì)量，同時(shí)支持先進(jìn)的控制功能，如調光、色溫均衡，以及精確混色等。應用的自診斷可以減少對技術(shù)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(dòng)器轉向基于微控制器或可編程架構。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，從而使照明應用擁有更高效率和更具性?xún)r(jià)比。向數字控制的轉化提升了靈活性，可以使照明產(chǎn)品達到新的智能與差異化水平。

獲得智能平臺

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應用對于所需要支持的能力有著(zhù)很大的差異。

家居應用包括燈泡替換、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LED，一般是一串至兩串。鑒于這個(gè)市場(chǎng)存在著(zhù)低成本壓力，一般不常用到先進(jìn)的控制功能。

商務(wù)應用包括熒光鎮流器、燈泡替換，以及重點(diǎn)照明。只需要點(diǎn)亮少數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(lè )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(zhì)量是基本需求，另外還要有遠程連接，以及支持業(yè)界標準協(xié)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(chǎng)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(jiǎn)單照明系統是使用一個(gè)LED驅動(dòng)器，通常是一個(gè)固定功能的設備，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動(dòng)器或決定電路板上元件的具體數值時(shí)要做一些計算。

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

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。在采用微控制器的系統中，可以通過(guò)配置代碼來(lái)支持各種不同類(lèi)型的LED、專(zhuān)有的功率級需求、不同的串長(cháng)度，以及不同的串數，而無(wú)需對硬件做大的改動(dòng)。系統可以設計成能自動(dòng)檢測需要驅動(dòng)的LED數量。微控制器系統的可編程特性甚至能夠實(shí)現高級的調光和定時(shí)功能，用于更高級的照明場(chǎng)景控制與自動(dòng)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(dòng)各種最終產(chǎn)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(guò)規模經(jīng)濟性而降低總的系統成本。

用數字控制的集成

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

功率轉換級為L(cháng)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(功率因數校正)級，再后面是一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的DC/DC轉換級。高能效的功率轉換要求對這些級進(jìn)行精確和靈活的控制。

主級的每個(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)現高度的集成，減少了電源的元件數量。事實(shí)上，單只微控制器有足夠的性能、功率優(yōu)化外設及通信端口，可以提供一個(gè)中心化的可編程平臺，從而協(xié)調地控制一個(gè)智能照明系統的所有三個(gè)級，處理有關(guān)電源、LED照明控制與通信的任務(wù)。

數字功率控制也有可能使動(dòng)態(tài)系統實(shí)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(shí)，讓功率級獲得更高效率。同樣，在固定照明條件下，微控制器可以通過(guò)更先進(jìn)的功率級設計，增加運行效率。這種效率增長(cháng)對最終用戶(hù)很有吸引力，可以成為兩種LED系統相互比拼時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵差異點(diǎn)。

假設一個(gè)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(lái)說(shuō)， 進(jìn)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(guò)采用LED系統的節省。

智能的好處

對于很多應用來(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(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(zhì)量的一致性，如果不能做到這點(diǎn)，不同批次LED做的設備相鄰安裝時(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(chǎn)品的一致性，可以在設備制造期間完成校準工藝。

隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化，LED的輸出也會(huì )改變。為補償這個(gè)效應，系統需要用一只傳感器檢測環(huán)境的溫度。微控制器讀出傳感器數據，相應地調節LED驅動(dòng)，動(dòng)態(tài)地校準顏色和光強度。由于溫度只需要定期檢查，所以這個(gè)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(guò)了一個(gè)規定閾值時(shí)，照明控制器可以降低光強，或關(guān)掉某個(gè)LED串，并遠程通知工作人員。極端溫度會(huì )使LED過(guò)早老化，使其光輸出降級。確保LED不超過(guò)某個(gè)溫度，可以延長(cháng)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系統的整個(gè)生命周期內維持一致的發(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,可以調節發(fā)光強度以配合當前的環(huán)境光，例如在暴風(fēng)雨的天氣，街燈可能提前開(kāi)啟，或當有充足的環(huán)境光時(shí)，可以調低亮度以節省能耗。交通燈或特殊街燈上的傳感器可以監控深夜的交通狀況，如果車(chē)流變多，可以提高街面照明亮度。

在倉庫里，工人可能會(huì )零散地使用不同的空間。通過(guò)室內感應傳感器，能夠只對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時(shí)調暗，因為交通流量下降。如果運動(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)，以適應車(chē)流的需求。為獲得更高效率，圖2中顯示的178W輸入系統可關(guān)閉25%的燈，相應節省25%的能耗，相當于每年68,218美元，以下面幾個(gè)式子計算：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美元每年費用272,874美元初始的年費用減去204,656美元修正后年費用=68,218美元每年節約將電源效率的節省數與智能工作的節省數相加，每年可節約101,944美元，約占系統的大約33%。

遠程連接

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

通過(guò)將照明系統中的各個(gè)部件連網(wǎng)，開(kāi)發(fā)人員可以協(xié)調整體裝置中各設備的運行。這樣做能實(shí)現一種全新的功能，包括遠程調光、遠程關(guān)機與緊急控制。操作者可以從一個(gè)中心控制位置調節整個(gè)光組的照明強度，而不需要單獨調節每盞燈。

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。這樣，就不需要讓技工去做定期維護來(lái)確保設備正常工作，操作人員可以遠程做出檢查，只有當問(wèn)題嚴重到一定程度時(shí)，才派技工去。這種遠程監控與LED的長(cháng)工作壽命相結合，可以大大節省維護成本，增加運行的安全性，因為可以立即判斷出故障。

遠程控制還能實(shí)現其它先進(jìn)功能，這些功能對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。例如，街燈可能需要按照夏令時(shí)做出調整，此時(shí)不需要派技工去每個(gè)控制箱，照明系統操作人員可以在系統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)現臨時(shí)改變，例如在晚場(chǎng)結束的運動(dòng)會(huì )后提供道路燈光照明，或者在繁忙季節中保持工廠(chǎng)照明等。遠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，將數據發(fā)至一個(gè)中心控制點(diǎn)，確保該市支付的電費不超過(guò)實(shí)際金額。

對實(shí)際使用情況的數據記錄能讓操作人員精確地調節自己的運行成本規劃、維護資源以及未來(lái)投入。它還能夠實(shí)現更先進(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行與維護成本以前，盡快加以處理。

連接能力也是很多照明系統的基礎， 尤其是娛樂(lè )應用。這個(gè)市場(chǎng)中已有了很多通信標準， 包括DALI、DMX512和KNX，而支持這些協(xié)議的設備就擁有了一種競爭優(yōu)勢。