LED控制裝置與傳統控制裝置在實際應用中的比較

程 曄

(依古姿妮照明(中國)有限公司，上海 201401)

引言

LED控制裝置不僅要提供電流使LED正?？煽康毓ぷ鳎€要能兼容各種調光控制系統以實現節能和情景照明。如果LED控制裝置的功能和可靠性無法得到保證的話，這必將成為限制LED性能發揮的限制和短板。和LED一樣，LED控制裝置作為新生事物，還有很多問題需要研究解決，同時還有很多新的技術等引入到新產品中，產品的標準也不完善，這就導致了LED控制裝置市場琳瑯滿目，魚龍混雜。由于跟傳統控制裝置的不同，在使用過程中會遇到疑惑與問題。本文通過比較LED控制裝置與傳統控制裝置的區別，分析LED控制裝置的特點與趨勢，從而幫助使用者更好地理解LED控制裝置，同樣也幫助LED控制裝置的制造商能更了解使用者的需求。

1 尺寸

傳統控制裝置(如：熒光燈鎮流器、HIT鎮流器)經過了一個比較漫長的發展期。由于其核心技術還是掌握在幾個大的照明企業中，他們之間相互合作也達成一系列協議，制定了一些標準。這樣在使用這些傳統控制裝置時，就會發現這幾個企業的傳統控制裝置，不僅在尺寸上幾乎一樣，而且在定位尺寸上也幾乎一致，甚至輸入、輸出的端子也一致。這樣的好處是，不僅能使燈具制造商能有更多的使用選擇，而且使使用者能方便替換。而LED控制裝置目前為止沒有類似的規定。由于LED照明產品在向小型化、輕薄化的方向發展，LED控制裝置也有這樣的趨勢。但其導致的是可能無法有相同定位的控制裝置來隨意替換。為了增加更多的選擇性，就需要在設計中去嘗試更多的定位，同時對于庫存、交期的管理也帶來了挑戰。當然目前還有一種產品趨勢，為了替代傳統熒光燈，LED控制裝置尺寸大小會設計成和熒光燈鎮流器一樣。由于LED光源開始有模組化趨勢，如光引擎需要符合ZHAGA標準，LED驅動電源尺寸也會是下一代標準化趨勢。LED控制裝置尺寸的統一便于互換性和倉儲管理，但卻不利于產品創新的設計。我們需要在標準化和創新之間找到一種平衡。

2 功率

對于傳統控制裝置，其型號的標注是以所能控制的光源功率來決定的。以OSRAM公司的電子鎮流器產品為例，對于熒光燈鎮流器QTP5 1x28，我們很容易就知道它能控制的就是28W熒光燈；同樣，對于HIT鎮流器PTi 35/220-240，我們一看也知道它能控制的是35W的HIT。當然，隨著技術的發展，多功率型的鎮流器也推出市場，使其能同時驅動多種功率的光源。但無論如何，對于傳統的控制裝置，我們只要知道光源的功率，然后根據型號去找合適的鎮流器就可以了。但對于LED控制裝置就完全不是這樣了。對于單顆粒LED，往往需要通過串并聯的組合做出我們需要的光源，組合的不同導致功率、驅動電壓的不同。對于逐漸流行的COB封裝的LED，不同的驅動電壓和電流能導致功率的不同。這就導致了不能簡單地通過一個參數，如功率，來簡簡單單地確定LED控制裝置能否和LED配合使用。我們需要考慮其驅動電流、電壓范圍、驅動功率等多個要素來全面的從電氣方面來衡量是否能驅動我們的LED(圖1)。根據電壓范圍，我們可以看出一般需要帶足夠的負載才能正常工作，這就使得LED驅動電源在項目中的適應性、靈活性不夠。

圖1 通過各種電氣參數選擇合適的LED驅動Fig.1 Choose the right LED driver according to kinds of electrical parameter

雖然選擇LED控制裝置給我們帶來了一些不直接性，可能需要專業人員來幫助選型，但另一方面來說我們不再像傳統控制裝置那樣，一個電器帶一個光源，可能一個電器能帶數個光源，這樣把驅動的成本平攤到光源中。為了更好的體現規模成本的優勢，LED控制裝置往往朝大功率方向發展，其安裝可能并不跟燈具安裝在一起，而是安裝在電器箱中。選擇合適的LED控制裝置實際就是根據所要驅動的LED選擇合適的工作點(圖2)，無論是一個LED燈具還是多個LED燈具，除了功率外，還要考慮已經提到的輸出電壓、輸出電流，以及下文提到的負載、效率、功率因數、工作溫度等，這是一項系統性的工作。

圖2 根據所要驅動LED選擇合適的工作點，確定LED控制裝置Fig.2 Choose right working point of LED to confirm the LED dirver

3 電壓與連接數量和連接距離

對于傳統控制裝置，其額定電壓為交流市電，加上其一般設計有較寬的電壓范圍，其連接距離一般不受壓降的限制。置于連接數量主要取決于導線截面、連接端子等的電流容量。

對于LED驅動控制裝置，除了輸入電壓為交流市電外，很多的驅動都是低壓直流輸入，其輸入電壓范圍相對較小，連接的距離主要取決于線路上的壓降。由于這種控制裝置一般前端需要一個電源變壓器，所以連接數量主要取決于這個電源的容量。

我們要了解LED燈具傳輸的最長距離對于工程應用是很關鍵的，特別是對于大項目而言。在前期電氣設計時，正確的計算既能節省成本，又能保證出光的一致性以及產品工作的穩定性(圖3)。

圖3 距離過長將影響LED燈具的出光一致性Fig.3 too long distance can affect the light conformity of LED fixtures

正因為工程上的需要，下面我們將通過簡單的計算來估算出導線的最大長度Lc。

圖4 LED燈具直流供電及導線最大長度LcFig.4 LED luminaires are driven by DC and max length of wirings Lc

根據歐姆定律及電阻定律，可以推算出導線長度L為

(1)

式中，U為電壓；S為導線截面面積；I為電流，ρ為電阻率。

根據圖4實際可能產生的燈具線路，設定如下參數：

Δx——電源輸出和產品最小工作電壓之間的允許壓降，即主線上的壓降；

Sc——所用導線的截面積;

0.0174——銅的電阻率(Ω·mm2/m)(20℃時)；

Np——電源能驅動的最大燈具數量；

I——燈具的最大輸入電流。

由于燈具之間是并聯方式，其總電流為各燈具電流和，即Np×I。

將上述各值帶入公式(1)，可得導線的總長為

(2)

考慮到導線的總長包括整個回路，而導線最大長度Lc應為這個回路的一半，可以由下面的公式計算得到：

(3)

公式(3)是通用的公式，但要再進一步精確計算時，特別是單一燈具的導線需要足夠長時，除了主線上產生壓降，最后在燈具部分支線L1上也應計算壓降，主線上的壓降和支線上的壓降總和即為總的壓降。假設支線上的壓降為Δy，根據公式(3)，主線上的壓降為

(4)

(5)

其中：Δy為支線單一產品的允許壓降；S1為單一產品所用導線的截面積。

總的壓降為公式(4)與公式(5)之和，即

(6)

公式(6)為精確的計算各種要素之間的數值。當然實際應用中還要進一步考慮其他實際限制情況，如帶有DMX的控制裝置，信號線的限制只有100m；還有電源容量的限制，實際能帶的燈具數量有限。由于計算并不是特別便捷，在實際應用中我們常常給出簡單的圖表或公式方便使用者使用(圖5)。

圖5 實際應用中說明書給出連接的限制距離和相關條件Fig.5 The instruction sheet shows the distance limit in real application

4 多種配置

如前文所述，傳統控制裝置一般一個產品對應配合一種光源，即使如熒光燈鎮流器可以配合多款熒光燈管，其也可以通過自身的硬件去實現。而LED控制裝置一般可分為恒流驅動和恒壓驅動。恒壓驅動一般有12V、24V、48V等，恒流驅動一般有200mA、350mA、700mA、1000mA等。為了方便各種應用，LED控制裝置的趨勢不再是單一電壓或電流，而是能提供多種電壓或電流的組合，雖然會增加一部分成本，但是能提供更多的應用，同時減少倉儲的成本。更改配置主流的方式有電阻、DIP開關及編程器。其次一個LED控制裝置，可能包括各種控制協議(圖6)，如1～10V、DALI、Push L等，還要適用于各種電網環境，基本做到一控制在手，所有應用都不愁，這個是傳統控制裝置不敢想象的。

圖6 多種配置的某LED控制裝置Fig.6 Kinds of configuration in LED driver

當然，多種配置對于控制裝置的設計也是一種挑戰，它的每一種配置必須兼顧安全、性能、EMC等各個方面。按照傳統控制裝置的思路，根據使用者的要求LED燈具制造商一般只測試功率最大的產品，但不知配置變化會引起其他方面的變化。在實際測試中，常常會碰到不合格的情況，特別是EMC，常常需要在外部進行修改。用電阻等配置不同電流時往往會引起諧波電流的變化，負載的變化會影響功率因數從而影響諧波電流，都可能會使測試失敗(圖7)。再者，LED控制裝置對于不同的負載會有不同的效率，往往在低負載時效率變低，導致大量的能量被消耗在關鍵電器件上，有可能這時候的溫度是極限溫度(圖8)。由于需要兼顧各種性能要求，每種配置可能引起的問題不同，導致了可能的解決方法也不同，這就勢必在設計過程中需要定義每個方案的圖紙、BOM，給設計研發工作帶來了巨大的挑戰。這也要求LED控制制造商不單單是制造出這種產品，還要進行大量測試驗證工作，以減少應用過程中的麻煩。

圖7 某LED控制裝置的功率因數、效率隨負載配置變化曲線Fig.7 Curve: PF and efficiency of LED driver

圖8 某LED控制裝置調光電壓及調制電阻與輸出電流的關系Fig.8 Curve: the relationship between output current and dimming voltage/resistance

LED形式一般為單一顆粒，即使其光效在不斷提高，達到100lm/W以上的水平，但單一顆粒發出的光的數量還是畢竟有限。在根據照明要求需要獲得合適的光通量時，往往需要多顆顆粒的組合才能實現這種光的要求，例如一些大功率的投光燈、路燈、筒燈等都需要多種顆粒的組合。此外對于建筑上大量運用的線性燈，光靠一顆LED就想達到這種效果也是遠遠不可能的。

我們很難做到對于不同應用都重新設計不同數量LED線路板來制作產品，這樣做對于照明企業來說是不經濟的，無論是對于設計、制造、采購還是倉儲。在制造這種對于LED數量要求比較大的產品時，在實際應用中為了替換維護方便、制作生產容易且效率高、充分發揮規模成本優勢，特別是方便組合LED以實現千變萬化的應用，我們將LED做成我們需要的最小單元即模組。通過模組的增減及變化來生產出能應用于不同場合下的產品，這就是我們設計生產LED燈具模組化的趨勢。伴隨LED線路板標準化程度提高，將有效實現產品的規模化和通用化，利用對各類標準組件進行排列組合就可以拼裝出需要的燈具，這種方式有利于提升產業的質量控制水平，適合于大規模產業化。這就要求LED控制裝置能配合LED的模組化，能輸出各種應用所需的電參數，也達到LED控制裝置的經濟性和模組化(圖9)。

圖9 LED照明產品的模組化趨勢Fig.9 Modular trend of LED lighting products

例如，某公司生產LED線性燈，根據長度來分有0.5m、1m和1.5m三種規格。每種規格對應的LED數量是11顆、22顆和33顆。選擇長度0.5m、11顆LED顆粒的線路板作為模組化生產，則對應的不同長度線性燈只需1塊、2塊或3塊這樣的模組組裝起來。這就不需要單獨開發22顆粒以及33顆粒的LED線路板，不僅耗時又增加成本。

LED的模組化趨勢導致LED控制裝置模組化的趨勢。以上述產品為例，如果我選擇一個LED控制裝置能驅動11顆0.5m的LED線路板，這樣只要分別使用2個或3個同樣的LED控制裝置來驅動1m或1.5m的產品。LED控制裝置的規模化顯而易見還能控制產品的體積以保證LED照明的輕薄化，保證SELV幫助產品的安全，還能幫助提高產品的性能。我們假設LED的驅動電壓3V，如果只需要驅動11顆顆粒的話，驅動電壓為33V；但我們如果要驅動22顆或33顆顆粒時，驅動電壓就會達到66V和99V。驅動電壓越高對于LED控制裝置的制作要求也越高，勢必會增加制造成本、體積、性能、安全等多方面因素。

當然，如果一個LED燈具產品可能同時用幾個LED控制裝置話，這樣LED控制裝置要求不僅要求在性能上有多種選擇以適應不同的模組組合，其次在可靠性、安全性上不能因為過多控制裝置而降低。因為LED控制裝置的尺寸無法改變，要在同一尺寸中實現各種配置對于LED控制制造商也是一種挑戰(圖10)。

圖10 某LED控制裝置在同一尺寸中有多種型號以適應LED模組化要求Fig.10 LED driver has many models in same dimension to meet LED modular trend

5 組合

控制裝置的主要功能就是將輸入的電源轉換為光源正常工作的電壓或電流。傳統控制裝置的輸入電源一般就是交流市電，而LED控制裝置的輸入可以是交流市電，也可以是直流電源。這樣，如果沒有合適的單一LED控制裝置的話，LED的驅動還可以通過各種控制裝置的組合得以實現。而傳統控制裝置則不能實現這樣組合的應用(圖11)。

圖11 LED控制裝置組合Fig.11 The combination of LED driver

這樣做的好處主要有：

1)在一些特殊安全應用場合，如：屋檐、泳池、重要政治建筑物等，燈的主體部分為SELV能保證建筑的安全以及很好的保護使用者的安全(圖12)。

圖12 SELV燈具的特殊應用場合Fig.12 The special application location of SELV luminaires

2)為了實現各種應用需求，只需設計直流轉換這部分，從而提高電源部分用量，這樣能大大降低成本，避免每個應用都要選擇特殊的適配控制器。

3)還能適應各種LED燈具的體積，使產品能適應各種嚴苛的安裝應用。為了達到更精美的設計，往往把LED驅動電源從產品中移出。并且減少熱量對LED的影響。

但隨之帶來的問題是，各種控制裝置過多，可靠性變差，體積較大，各種控制直接需要可靠的連接，一旦某個環節出錯，整個系統就會有問題。

6 室內應用與室外應用

由于LED節能及色彩特性，在照明領域LED首先被應用于室外產品，如：路燈、線性燈及地埋燈等。這類燈往往有著嚴格的防水防塵等級要求。在實際應用中，由于控制裝置是照明系統的壽命短板，考慮到維護的方便性，以及在某些特殊場合需要安全低壓時，燈具往往做成燈體與控制裝置分離。這就要求LED控制裝置也有與燈具一樣的防護等級。這也是市場上我們會看到大量帶有IP等級的LED控制裝置。在工程中，LED嵌入式燈具往往是電器與燈體分離，這樣對于獨立式LED控制裝置也有大量的需求。這些都是與傳統控制裝置明顯不同的市場特點。

大量的室外應用也要求LED控制裝置能適應各種極端溫度條件，這對于零部件的選擇也是極大的考驗。由于LED燈具大部分能量會轉換成熱能，散熱能力將直接影響LED的壽命，進而LED燈具系統的壽命。在這樣一個相對高溫的環境，隨著溫度的升高，LED控制裝置帶負載能力也隨之減弱，專業的廠商會給出控制裝置的減額曲線。此外，室外應用中，LED控制裝置還應考慮雷電浪涌等要求(圖13)。

圖13 LED控制裝置的室內外應用以及減額曲線Fig.13 Indoor/outdoor application and derating curve of LED control gear

7 結束語

LED控制裝置作為LED燈具的關鍵一環正越來越被人們所認識。除了設計原理與傳統控制裝置有很大區別以外，人們在實際應用中也漸漸發現不能將原有對控制裝置的認知也應用于LED控制裝置。我們在實際應用中應密切關注LED控制裝置技術化的發展趨勢，對其有正確的認知這樣才能真正使用好它。同樣，只有認清應用上的趨勢，才能指導我們的企業及設計師設計出真正為LED燈具制造商所需要的LED控制裝置。

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