LED的光明前景：新驅動，新機會

Maxim Integrated Alec M.Makdessian

LED 照明是一項近乎主流的技術，換代LED 燈使物業管理人員和業主利用傳統的電力基礎設施即可享受LED的較長工作壽命和節能特性。局域網（LAN）、以太網供電（PoE）技術提供了前所未有的動態監測和控制每個LED燈以及智能LED照明／傳感器集中器的能力。

LED的應用優勢在不斷發展和成熟，會成為越來越多傳統及新照明應用的首選。LED 的優勢包括更長的工作壽命、更高的能效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1 000～2 000小時的典型工作壽命，以及緊湊型熒光燈（CFL）5 000～10 000小時的壽命。所以，LED 非常適合眾多商業和工業應用，這些行業都對節能有較高的要求。

LED 發光的波長或顏色依賴于LED 構造中所用的材料。借助合適的驅動器，LED 將具有更大的設計靈活性，便于調光和更改發光顏色；與合適的控制器及傳感器配合使用時，可根據環境中條件的變化調節發光量和顏色。這種能力使其可用于室內照明以及可調光路燈和室外照明等，根據環境光變化改變其亮度。LED 調光節省的電能大約為1∶1，也就是說將LED 調光至50%，將節省大約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，現在討論兩種場景下的LED 應用。設計者在傳統規格燈具中使用LED 模塊（例如MR16），LED 必須與已有的電力基礎設施配合工作，發揮LED 燈的優勢。相比之下，以太網供電（PoE）LED 照明網絡則采用較新或并聯的電力基礎設施。在討論這些應用之前，先簡要回顧一下LED驅動器。

LED驅動器

LED驅動器為低壓元件，用于將輸入電壓（例如120 V、220V 或277V）轉換為LED 要求的低壓，同時這些驅動器也解析控制信號，調暗、調亮以及更改發光顏色（如圖1所示）。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，但這兩種類型的驅動器不可互相交換。燈具制造商可以選擇驅動器的類型和配置，以匹配燈具中所用LED 模塊的電氣要求。本文以恒流驅動器為例進行討論。

圖1 LED驅動器將輸入電壓轉換為LED要求的電平

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，而且負責連續或步進調光。設計者可以根據應用要求的各種組合將驅動與LED進行匹配，包括驅動的LED數量、電源類型以及LED的功能特性。匹配不合適的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發光的幅度或頻率被周期性調制或波動（不可預期），人眼就會感測到；如果輸入電流快速變化造成LED燈輸出發生快速變化，LED 燈就容易發生閃爍（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，實現無閃爍調光。

翻新改造

LED可用于代替其他照明技術，尤其是白熾燈和鹵素燈。將LED燈用于已有照明基礎設施時，主要面臨兩項挑戰：首先，更換的照明燈必須符合傳統光源的外形尺寸；其次，必須在已有電氣基礎設施環境下無閃爍地工作。將LED燈安裝至現有燈具，不僅限制了驅動器電路板的尺寸，而且要考慮設計本身的散熱問題。

由于LED僅發射可見光，發熱高于白熾燈或鹵素燈，散熱也是限制照明燈產生發光量的因素之一。而當今換代燈采用的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，改善隨之而來的散熱設計，是設計一款商業上成功的產品必不可少的，但是散熱設計必然會影響驅動板的使用壽命。為了發射更多的光，照明燈就必須工作在相對較高的溫度下（＋80 ℃～＋100 ℃），在這種溫度環境下，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。

為了能夠在現有電氣規格下工作，換代LED燈必須能夠配合基礎設施正確工作，然而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，導致LED燈產生閃爍現象。

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LED 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。LED 燈設計中的一項最大障礙就是需要開發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，并且兼容絕大多數電子變壓器和后沿調光器。

以太網供電（PoE）

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，這種特性允許LED 燈具變為智能網絡傳感器集中器，利用隔離的本地嵌入式處理器，照明系統可實現節能。將智能LED 燈／傳感器集中器連接至局域網（LAN），允許已安裝的LED 集中器快速支持并充分利用IoT（物聯網）上涌現出的新功能，無需更換昂貴的照明燈，即可提供適應未來發展的技術（如圖2所示）。PoE非常適合于通過LAN 供電、連接和控制智能LED 集中器，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據電纜，所以布線成本較低，而且無需獨立的電源電纜。由于數據網絡布線無需雇傭有執照、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離散控制，又能夠在斷電期間僅使用網絡連接提供電源備份，所以PoE 網絡可以支持更好的總體網絡電源管理。

圖2 整合傳感器的LED成為智能網絡集中器

PoE不會影響數據通信性能，而實際上通過PoE 單元及所連設備之間的功耗協商，可以防止網絡設備過載，而且只為兼容設備供電，防止向不兼容的傳統設備供電。這種方法允許用戶在其網絡上隨意、安全地混合使用傳統設備和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），可為發光的每個LED集中器供電。PoE連接也支持每個LED集中器從各種傳感器收集信息，并將數據送回至控制器（如圖3所示），收集的信息可能包括環境光、溫度、濕度以及匿名的房間使用率數據。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，自動關閉照明。或者，環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，以維持照明。

圖3 聯網的照明和傳感器能夠為任何使用照明的區域帶來新功能

通過PoE操作，LED照明系統變為一個信息網絡，所以用戶可控制其附近的照明和溫度。系統能夠訪問其他建筑服務，例如接近檢測傳感器，以發現最近的空閑會議室。

PoE LED網絡能夠提供適應未來發展的附加利益，因為LED照明（以及集成的智能傳感器集中器）已經部署在人們聚集的位置，PoE是LED照明的未來。

結 語

換代LED燈可使用戶在使用傳統電力基礎設施情況下享受LED 照明的工作和控制優勢。PoE 支持LED 照明網絡使用安裝、維護和改造均比傳統電力基礎設施更簡單、價格更便宜的電源。PoE 供電的LED 照明網絡前所未有地為物業經理和大廈業主提供了動態監測和控制每個LED燈的能力。因為PoE 供電的LED 照明網絡很容易與其他元件集成，例如傳感器和無線通信模塊，所以提供了適應未來發展的方法，很容易支持IoT 中不斷涌現的新功能。