【導讀】LED照明已經(jīng)是LED市場最前沿最主流的技術?，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)測和控制調控。本文就來講述LED驅動器未來的發(fā)展歷程。
LED照明是一項近乎主流的技術。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)的電力基礎設施即可享受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)的設計
發(fā)光二極管(LED)是一種通過電流時會發(fā)光的半導體器件。LED的應用優(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)應用，這些行業(yè)都要求節(jié)能，并且接觸/安全風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構造中所用的材料。使用合適的驅動器，LED則具有更大的設計靈活性，便于調光和更改發(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)境中條件的變化調節(jié)發(fā)光量和顏色。這種能力使其可理想用于室內照明以及可調光路燈和室外照明等應用，根據(jù)環(huán)境光變化改變其亮度。LED調光節(jié)省的電能大約為1:1，所以將LED調光至50%將節(jié)省大約50%的電能。
設計者不斷將LED應用于日益增長的各種照明應用。我們討論兩種場景下的LED應用。設計者在傳統(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設施配合工作，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)絡則采用較新或并聯(lián)的電力基礎設施。在討論這些應用空間之前，我們簡要回顧一下LED驅動器。
圖1：LED驅動器將輸入電壓轉換為LED要求的電平
LED驅動器
LED驅動器為低壓元件，將輸入電壓，例如120V、220V或277V，轉換為LED要求的低壓。這些驅動器也解析控制信號，調暗、調亮以及更改發(fā)光顏色(圖1)。LED驅動器可采用恒流(例如350mA、700mA或1050mA)或恒壓(通常為12V或24V)配置。這兩種類型的驅動器不可互相交換。燈具制造商選擇驅動器類型和配置，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動器為例進行討論。
恒流驅動器支持脈寬調制(PWM)和恒流調光(CCR)法，在LED調光時調節(jié)輸出電流。LED應用要求電流恒定，以確保輸入電壓波動時LED燈輸出保持不變。LED驅動器不僅驅動高端和低端照明，也負責連續(xù)或步進調光。設計者根據(jù)大量應用要求的各種組合將驅動與LED進行匹配，包括驅動的LED數(shù)量、電源類型以及LED的功能特性。匹配或實現(xiàn)不好的LED驅動器實際上會縮短照明燈的工作壽命，引起不可預期的照明問題，例如閃變。
如果LED發(fā)光的幅度和/或頻率被周期性調制或波動(不可預期)，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驅動器電路設計問題。
好的LED驅動器設計應考慮所有的內部和外部因素，為LED提供恒定、無振蕩電流，實現(xiàn)無閃爍調光。
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，尤其是白熾燈和鹵素燈。將LED用于已有照明基礎設施時，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設施環(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)，不僅限制了驅動器電路板的尺寸，而且也要考慮設計本身的散熱問題。
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，所以熱傳導散熱高于白熾燈或鹵素燈。散熱也是限制照明燈產(chǎn)生發(fā)光量的因素之一。當今換代燈采用的LED技術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計，對于設計一款商業(yè)上成功的產(chǎn)品是必不可少的。散熱的一個必然結果就是影響驅動板的使用壽命。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設施正確工作，包括切角(三端雙向可控硅/前沿或后沿)調光器和磁性或電子式變壓器。每種基礎設施都存在自身的技術問題。
對于鹵素燈，由于耗流足夠高，能夠保證調光器保持導通，所以調光器工作得很好。然而，LED換代燈則不能支持可控硅調光器很好地工作，因為它既不能提供所需的啟動電流又不能提供保持電流。造成的結果就是調光器不能正常啟動或在工作時關閉，LED燈產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。
電子式變壓器具有其自身的設計注意事項：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，防止電子變壓器關斷。LEDMR16燈設計中的一項最大障礙是開發(fā)無閃爍調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LED燈所需的電流較低時，是一項艱巨的設計問題。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。調光器會進一步減小電流，加劇了這一困難。
Maxim的MAX16840LED驅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。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，提供適應未來發(fā)展的技術(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)絡布線無需雇傭有執(zhí)照、有資質的電工，所以安裝成本較低。由于既能夠通過所連設備的電源實現(xiàn)離散控制，又能夠在斷電期間僅使用網(wǎng)絡連接提供電源備份，所以PoE網(wǎng)絡支持更好的總體網(wǎng)絡電源管理。PoE支持10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T網(wǎng)絡。
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)絡中。該方法支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡，能夠更好地控制被供電網(wǎng)絡。接收供電的連接設備通常被稱為用電設備(PD)。
為支持傳統(tǒng)設備，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)絡以及何時從網(wǎng)絡斷開。
PoE不影響數(shù)據(jù)通信性能，而實際上通過PoE單元及所連設備之間的功耗協(xié)商，防止網(wǎng)絡設備過載。只為兼容設備供電，防止向不兼容的傳統(tǒng)設備供電。這種方法允許用戶在其網(wǎng)絡上隨意、安全地混合使用傳統(tǒng)設備和PoE兼容設備。
在PoE配置中，每個LED燈具可為標準RJ45連接器即插即用設備，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，感應傳感器可用于確保只在有人進入房間時才打開照明燈。當傳感器檢測不到任何人存在時，則自動關閉照明?；蛘撸h(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，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(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。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)絡提供適應未來發(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應用。這些器件支持模擬和PWM控制，可實現(xiàn)無閃爍平滑調光。器件集成了多種外部元件，包括MOSFET，滿足小尺寸要求。
總結
換代LED燈可使用戶在使用傳統(tǒng)電力基礎設施情況下享受LED照明的工作和控制優(yōu)勢。PoE支持LED照明網(wǎng)絡使用安裝、維護和改造均比傳統(tǒng)電力基礎設施更簡單、價格更便宜的電源。PoE供電的LED照明網(wǎng)絡前所未有地為物業(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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