大功率LED道路照明光源調光方案的研究

楊 光

(中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，合肥230029)

0 引言

商品化的、發光效率大于100 lm/W的照明級高亮度白光LED(HBW-LED，以下簡稱為LED)技術的飛速發展，為第四代照明帶來了前所未有的機遇，是一種具有廣闊應用前景、性能優良的道路照明光源。

雖然如此，應該看到在實際使用中，人們不僅對道路照明的現場環境、照明舒適度以及照明節能的要求越來越高，而且對品種豐富多樣、功率越來越大的LED道路照明光源的光輸出特性要求也不同。主要體現在以下兩個方面:一是道路照明光環境的多樣性，即從單一的照明時段的光源全功率輸出到根據需求不同時段的可變光強度的輸出;二是道路照明節能的要求，即從整個照明時段的全功率照明到某些時段的減功率照明，如此一來既可以滿足道路安全的要求，又可以節約大量的能源。

因此，針對上述的兩點，需要對在不同照明模式下的LED道路照明光源的調光方案進行專門的研究。

1 LED道路燈具的調光特性分析

無論是從當前道路照明的角度出發還是從節能方面的考量，LED道路照明的調光需求都是合理且必要的。由于LED器件自身固有的特性，調光的問題不僅是造成光輸出量減少的單一變化，而且會帶來一系列相關聯的特性改變。主要的相互關聯有LED芯片的發熱溫升、出光效率、使用壽命的變化，以及照明光源的光輸出特性、道路的照明效果、驅動器工作特性、壽命變化等一系列的問題。

1.1 LED道路照明光源的調光模式

從實際使用的角度來看，LED道路照明光源的調光模式主要分為有級型和無級型兩大類，具體的分析如下:

1.1.1 LED的有級型調光模式

LED的有級型調光是最常見的，也是最簡單、使用最方便的調光方式。

鑒于單片封裝LED的功率的相對較小及光源整體散熱的限制，LED道路照明光源一般采用多單元的陣列結構。每一個LED單元都具有獨立的配光特性，采用在驅動器的輸出制式的配合下，單元分組調光的這種最簡單的形式，或者借鑒傳統道路照明調光方式的路燈間隔照明的減光方式。不僅如此，依據LED道路照明光源調光對其光輸出特性的影響，又可以細分為以下幾種:

(1)LED單元的均勻分組調光

對于具有滿足道路照明要求光輸出特性的LED單元，其均勻分組調光只改變道路照明光源光輸出強度的大小，幾乎不改變其光輸出的特性，因此可以獲得調光前后一致的整體光輸出特性，是一種較為優良的調光方式。在驅動器的配合下，可以實現多檔調光。

圖1給出了在同一道路照明光源內多單元LED(在采用透鏡配光的、單一的LED單元就能夠滿足配光特性要求的前提下)的調光原理及光源內LED單元均勻分組排列的結構示意(一種樣式)。由此可以得出，調光前后的對比只是改變光源光強輸出的大小而不改變本身的配光特性，因此調光的效果是比較理想的，只是調節明暗的平滑度稍差，不能隨意地調節。

(2)LED單元的非均勻分組調光

同一道路光源內LED單元的非均勻分組調光主要是，其中的每個LED單元分別擔任不同的光輸出角色，總體作用來形成滿足配光要求的光輸出特性，具有構成簡單、操控方便等特點。通過LED單元的非均勻分組排列的形式來獲得在調光模式下的、需要強調或保證的道路照明效果。圖2給出了這種調光原理及調光前后的LED單元組亮滅的變化情況。例如，城市道路照明中的前、后半夜需要不同的照明模式:前半夜為主、次車道全照明模式(組1+組2)，以保障主/快車道及次/慢車道的交通安全;后半夜交通流量很小，僅為主/快車道的道路照明模式(組2)。

圖1 LED單元均勻分組調光原理及排列示意

圖2 LED單元的非均勻分組調光原理及排列示意

由此可見，在同樣的照明光源功率下，這種調光的方式較圖1來說就顯得更為簡單明了。

(3)LED道路光源的間隔調光

LED道路照明光源的間隔調光是仿照傳統道路照明(如HPS路燈)的調光方式，通過開閉相隔的光源來達到調光/減光的目的，方法簡易、操控方便。雖然單個光源的光輸出特性、照明效果、芯片的發熱量、出光效率、使用壽命以及驅動器特性、使用壽命等在調光前后沒有變化，并且也能夠獲得很高的節能效果(50%)，但是其致命的缺點是對總體道路照明的光照均勻度影響較大，易形成照明暗區即所謂的“斑馬效應”，嚴重影響到道路的行車安全，達不到國家對道路照明的規范要求，因此只適宜于對照明要求不太嚴格的次/慢車道和小道上使用。

1.1.2 LED的無級型調光模式

LED道路照明的無級型調光方式是一種比較理想的、在一定范圍內隨意平滑的調光方式。其主要特點是:參與調光的每個LED單元的工作狀態不再是只有亮和滅兩種狀態，而是工作于其中的某一中間環節，LED單元按照需要平滑地改變工作狀態，使得光源輸出的光通量在大范圍內自由變化，可以得到良好的道路照明、調光和節能效果。

(1)LED的無級型線性調光

LED的無級型線性調光是基于恒壓驅動器的條件下，通過在其輸出端串聯的線性元件的方式來改變驅動器輸出電流的大小值，即調節LED單元的發光亮度。構成的方式有兩種:一是串聯一可調電阻(手動調節，見圖3(a))，二是串聯一工作于放大區域的大功率晶體管(可以利用小信號來調節)。由LED的正向電流與光輸出的對應關系來看，在允許的范圍內，這種對應的關系幾乎是線性的。圖3給出了這種LED的線性調光的原理和對應關系曲線。

圖3 LED無級線性調光原理及對應關系

該方案存在的主要問題是:基于白光LED的特性表明，調光時的色溫將發生變化，不適合于對色溫要求恒定的照明光源，但是對于不太重要的道路照明可能影響不大，選用時需要慎重考慮。另外輸出端引入的線性元件將帶來總體損耗的加大、效率的降低。因此不是一種理想的、具有良好效果的道路照明調光方案。

(2)LED的無級型模擬調光

LED的無級型模擬調光是基于恒流的驅動條件下，通過在驅動器的控制端加以直流控制電壓(如0～10 V)或電阻等方式來改變驅動器輸出電流的大小值，也可以調節道路照明的LED單元的發光強度，對應的關系近似為線性，調光原理、光輸出與電阻值對應關系可參見圖4所示。具有電路簡單、調節時電流的過沖小、效率相對較高。存在的主要問題是:調光時的色溫也將發生變化，不適合于對色溫要求恒定的照明光源，但是對于不太重要的道路照明可能影響不大。因此是一種較理想的、具有較好效果的道路照明調光方案。

(3)LED的PWM型無級調光

為了解決上述調光方案所帶來的諸多不利問題，提高LED道路照明的效果及調光運行的效率，通過利用人眼的暫留視覺特性，在不改變LED瞬時電流的大小的前提下，只改變其輸出電流的占空比(即電流有效值改變)，來達到調光的目的，就是一種理想的調光方式。調光的關系式可表述為

式中

圖5給出了具體的應用原理、光輸出與調光信號占空比的對應關系，可供參照。

其主要的優勢是基于白光LED的特性，調光時光源的色溫將能夠保持不變，因此對道路照明的效果就更為有利;不足之處是調光運行時LED的過沖電流較大，發光效率有所降低，并且整個的電路也較為復雜。

圖4 LED無級模擬調光原理及對應關系

圖5 LED的PWM調光原理及對應關系

(4)LED交流輸入的相控調光

通過采用交流相位調壓原理來改變驅動器輸入電壓的大小來調節LED照明光源的光通量也是一個可行的方案，并且具有通用性。最常用的白熾燈的調光方案是依靠一個成熟的元件晶閘管SCR改變輸入交流電壓來實現的，但是直接采用晶閘管SCR來對LED調光將會有以下的問題:

一是光源的功率因數問題，SCR的導通角愈小，功率因數就愈低，當調到1/4亮度時，功率因數將低于0.25;二是光源的效率及照明效果，在調光為低點時，LED電流不足，會造成SCR的提早關閉，導致SCR調光器中的RC延時電路的時間發生錯亂，造成LED照明光源的閃爍不定。

為此，需要研發出一種能夠適用于SCR調光的專用LED照明光源的驅動芯片，用來滿足采用常規SCR調光器對LED照明光源的調光要求。文獻［4］、［5］給出了這種應用的原理、相應的光輸出與輸入功率的對應關系(見圖6)。

圖6 LED的交流輸入相控調光原理及對應關系

1.2 LED道路照明的調光特性

由上述的分析可知:LED照明光源的調光問題不僅造成光輸出量減少的單一變化，而且會給LED及整個照明光源帶來一系列相關聯的特性改變，因此需要分別對其調光運行的特性加以研究。

1.2.1 LED的特性變化

由于對LED進行調光的機理就是改變其正向的電流有效值大小，而LED的諸多特性都是與其直接相關聯的，因此在調光模式下LED的特性變化主要體現在以下幾個方面:

(1)LED的光輸出及出光效率

目前，主流的、照明用大功率白色LED的工作原理都是利用藍光LED激發YAG熒光粉來獲得白光的。文獻［6］給出了某品牌的藍光LED(InGaN)的正向電流分別與光輸出和出光效率的關系。

由圖7可知:藍光LED的光輸出隨著正向電流的增加呈近似的線性增加，這說明電流大小與光輸出多少成正比，而其光效η=Φ/W(lm/W)則隨著正向電流的增加而近似線性下降，原因是其中相當多的能量被晶格吸收轉變為熱量消耗掉，沒有發揮應有的作用。由此可見，由于道路照明的LED在調光運行模式下，電流的減小將帶來光輸出的減小和出光效率的增大，對LED道路照明的運行有利。再進一步推斷:對于上述通過改變LED正向電流來進行調光運作的道路照明模式，照明光源中LED的運行也將處于較為有利的工作條件下;對于采用PWM模式來進行調光的LED由于間斷的運行模式也對改善LED的運行條件有利。

圖7 LED的電流與光輸出、光效率的對應關系

(2)LED的色溫變化

在調光運行的模式下，由于白光LED正向電流發生了變化，因此依據不同的調光方式其色溫變化情況也不盡相同，具體的分析如下所示。

在圖8中，LED的光輸出所對應色坐標X和Y的值隨著LED正向電流的變化而有規律地變化。調光時LED的電流減小，此時X值增大，Y值減小，從而導致人們不希望的色溫變化的出現。對于采用PWM調光模式運行的情況，由于LED工作時的瞬時電流不變，因而可以較好地解決色溫的偏移問題，但是發光的效率有所降低。歸納起來就是，白光LED在道路照明應用時，采用何種調光模式，需要基于道路照明的要求并根據人們對調光時白光LED電流減小導致色溫變化(紅移)的適用性(主要是辨識障礙物的能力)及容忍性的大小等來進行選擇。

圖8 LED的色坐標與正向電流的對應關系

(3)LED芯片的溫升和壽命

LED芯片的工作溫升與其使用壽命有著直接的關系。相對而言，溫升越低，其使用的壽命就越長。例如，當LED芯片溫度達45℃時，LED的使用壽命為1×106h，而溫度在105℃時，其壽命銳減為2×105h。在道路照明中，由于室外的環境條件較為惡劣，位于光源內(溫度在80～90℃以上)LED的溫度較高，極端條件下幾乎接近于其所允許的最高范圍，因此散熱問題是LED道路照明的核心問題之一，需要下工夫來解決。具體可參見圖9所示。

圖9 LED的溫升與壽命的對應關系

基于此，在調光運行模式下LED所具有的較低運行溫度對于提高其使用壽命是非常有益的。

1.2.2 LED驅動器的特性及壽命

要使LED道路照明能夠有效地發揮其固有的優勢，驅動器的性能至關重要，也就是說驅動器性能的優劣直接關系到LED道路照明的使用和照明效果。由于道路照明環境的嚴酷性和高可靠性的要求，通常驅動器需要具備以下的基本性能。1)輸出余量:20～40%;2)輸入電壓:90～305VAC;3)效率:80～92%;4)功率因數:0.90～0.99;5)多級驅動隔離;6)50 000 h耐久性測試;7)8 000 kV浪涌測試;8)內外部防雷系統;9)防水等級:IP67—68。

特別是在要求調光的情形下，LED的表現更直接受制于驅動器的性能優劣。目前對LED器件及道路照明配光特性研究的文獻較多，而對其在實際照明光源條件下的工作條件、整體輸出特性可靠性及使用壽命等的研究相對較少。經統計顯示，影響LED驅動電源壽命的一大主要因素是輸入濾波電解電容器在道路照明光源內高溫環境下(80～90℃)的有效壽命問題，一般規律是:使用的環境溫度每升高10℃，電解電容器壽命將會減少一半。通常電解電容器的使用壽命在5 000 h以下，并且與使用的環境溫度有很大關系。雖然目前市場上有一種105℃的高溫電解電容器的標稱壽命為1×105h，并且在85℃環境下理論工作壽命可達4×105h。按每天LED照明光源工作12 h來計算，理論上可用10年，但是其造價較高，并且不同廠家的產品差異也較大。基于此，研究減少直至取消電解電容器的LED驅動器是一課題方向。

文獻［9］分別給出了基于某種特定產品的LED驅動器的使用壽命與溫度的關系、驅動器輸出功率與其溫升的關系(見圖10)。

圖10 LED驅動器的壽命與環境溫度、輸出功率與外殼溫度的對應關系

由圖10可知，LED驅動器的工作壽命與其溫度呈現出較大的衰減特性。在調光運行的條件下，由于LED負載變輕導致驅動器輸出功率降低，其內部開關等器件的溫升較低，因此從使用的角度來考量調光運行對驅動器的使用壽命有利，即能夠在較大的程度上提高其使用壽命，但是從其整體效率來說，由于輸出功率的減小(特別是在調光的最小輸出狀態下)，而其自身功耗的減小程度相對輸出功率來說比較小，因此將造成其整體效率的下降，這需要特別注意。

1.2.3 LED光源的光輸出特性及道路照明效果

一般來說，LED道路照明光源的光輸出特性是依據道路照明規范的要求來確定的。在LED道路照明光源光輸出特性的設計上，主要是采用LED的一次配光(自身的封裝透鏡形成LED器件)、二次配光(外加配光透鏡形成LED單元)和三次配光(光源內安裝的排列方式)或其中的一、二次配光方式來獲得滿意的道路照明效果。而在調光的運行模式下，LED光源的光輸出特性及道路照明效果就變得較為復雜，要分別加以分析。

(1)LED道路光源的光輸出特性

對于滿足道路照明要求的、具有獨立的光輸出特性的單個LED(單元)而言，有兩種情況需要考察:

一是采用無級調光(線性、模擬或PWM)的方式，即所有LED均參與調光，調光的結果只改變光源的整體光輸出的大小，而不改變其光輸出的特性，因此是一種理想的調光方式;二是通過LED(單元)來分組調光的情形，由于不是每個LED(單元)都參與調光運行的，因此調光后的光源的光輸出特性是改變的，此時光源的光輸出特性有可能不能滿足道路照明的相關要求，需要分門別類地加以認真考慮和選擇。

(2)LED道路光源的照明效果

在上述(1)中提出，在調光模式下LED道路照明光源的配光曲線有可能發生改變，而光源的光輸出特性對道路照明的效果起到決定性的作用，因此撇開采用間隔照明在道路上形成的連續暗區、嚴重影響道路交通安全不說，單單就上述的具有不同的光輸出特性的LED道路照明光源來說，光源的光輸出特性都是在全功率輸出條件下獲得的，因此凡是調光后光輸出特性改變的，不管改變多少，程度如何，對道路的照明都存在著一定的影響。因此，LED道路照明的調光問題是一個綜合性的問題，實際運用時應該以保證道路的照明效果和交通安全為前提，不能為了節能而節能，忽視了道路的交通安全，否則的話將是得不償失的。

2 小結

總之，社會經濟及城市化進程的快速發展，使得LED道路照明在實際使用過程中，人們不僅滿足于對其光輸出特性的要求，而且對道路照明光源所提供的照明品質、照明環境、照明舒適度和照明節能等也提出了更高的要求，特別是對LED道路照明條件下的交通安全、治安環境等要求也很高。這就要分別加以認真分析和仔細研究。特別是要依據不同調光方式下LED道路照明光源所具有的各自特點以及相適用的道路照明現場環境，來對LED道路照明光源的設計進行改進和優化。這樣一來，對今后LED道路照明光源大范圍的推廣和應用都具有積極的意義。

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