無線傳能LED技術的設計要點

張青 聶叢偉

摘 要：LED作為第四代新型固態寬光譜照明光源，具有光效高、色溫覆蓋廣、顯色指數高，設計靈活等諸多優點，正在逐步代替傳統照明燈具。本文以無線傳能（WPT）應用于LED照明的集合技術為出發點，主要闡釋了基于電磁感應原理的電磁場傳能的相關技術，包括負載偵測技術、電磁場耦合技術、功能調整技術等，實現其對LED照明的無線傳能技術。同時針對特定應用方向，還簡單介紹了光源的組合技術，配合技術，熱設計技術以及與WPT相關的驅動技術。同時在技術研究的基礎上，探討基于WPT的LED照明產品的電氣、機械接口技術標準，推動了行業的技術進步。

關鍵詞：無線傳能；LED；設計要點

無線能量傳輸技術（WPT），又稱無接觸能量傳輸（Contactless Power Transmission， CPT）技術，即以非接觸的無線方式實現電源與用電設備之間的能量傳輸。目前，無線傳能技術主要有電磁感應、磁共振、電場耦合和無線電波傳輸四種形式，它們的能量傳輸方式、效率以及傳輸的距離各不相同，其中電磁耦合方式由于實現與控制相對簡單，成為近距離、中小功率傳輸主流的方式，其能量傳輸效率達到70%以上。目前WPT技術和產品已經在手機及小型家電的充電方面得到應用，大功率WPT技術進展迅速，在電動汽車充電方面的研究也逐漸變熱，但在LED照明領域，目前尚沒有應用。

一、國內外無線傳能技術比較

國外在無線傳能技術方面研究較早。1890年，著名物理學家，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla） 提出無線傳能這一構想后，逐漸吸引了很多著名大學，科研機構，公司投入這方面的研究開發。2007年，麻省理工（MIT）用兩米外的一個電源，“隔空”點亮了一盞60瓦的燈泡。2012年9月5號，手機通信廠商諾基亞聯合微軟發布了一款能夠實現無線充電的手機。目前，奔馳，寶馬，奧迪等汽車廠家及通信公司高通等正在研究電動汽車的無線充電技術。另外，消費電子領域的手機，音樂播放器充電，以及物聯網眾多的智能終端，體內診療設備比如心臟起搏器，除顫器等的充電問題都引入這一技術。

我國在無線傳能技術領域起步較晚。1994年，電子科大的林為干院士第一次將微波傳能技術引進到國內；2010年，無線充電聯盟在北京正式將Qi無線充電技術引入中國。目前，國內有一些高校及公司在進行這方面的研究，主要的產品應用領域還集中在消費類電子產品領域（如電動牙刷、電動剃須、MP3充電等），在LED照明方面還沒有相關報道。

二、無線傳能的LED技術

隨著LED技術的進步，商品化的LED光源的發光效率已到達140-160lm/W，單燈功率大幅度下降，體積不斷縮小，人們的目光已從單純的追求LED發光效率的提升，逐步向LED燈具的其他性能轉移，如光譜的安全性、舒適性，燈具的便攜性、安全性及快速安裝維護等方面擴展。

現行的LED燈具由光源部分與驅動電源兩部分構成，電氣連接多采用開關、簧片觸點或者接線端子等方式，在長期多次使用或在潮濕、振動等惡劣環境下，開關觸點部分會發生氧化，導致觸點接觸電阻增大引起高溫發熱甚至打火導致火災，據統計，由燈具引起的火災，80%以上就是這些因素造成的。而驅動電源的高壓部分，在潮濕環境中（如浴室、游泳池、水景等）電回路的裸露也易引起觸電事故，必須做好電氣隔離防護。在其他一些特定的惡劣環境中，比如礦井中使用的燈具，為避免開關打火導致瓦斯爆炸，有很高的防爆、防水等要求，電線引入結構也會使燈具產生較高的成本，現場維護成本更高。 另外，由于燈具是一體結構，當出現故障時，需要現場斷電，整體更換或現場維修，而這又對現場維護人員的素質提出了比較高的要求。

三、無線傳能的LED技術的設計要點

將無線傳能與LED照明相結合，充分發揮LED效率高，設計靈活的特點，減少因漏電引起的觸電事故，減少火災的發生，可實現非專業人員的快速替換，同時提高使用的靈活性。無線傳能LED燈具必將是繼無線傳能技術在消費電子產品應用快速發展后迅速崛起的產業。

主要設計要點包括：

（一）近距離、中小功率無線傳能技術

基于照明系統的特點，研究電磁耦合方式磁共振方式的無線傳能技術，設計高電壓的傳能系統和標準（QI）傳能系統。具體為：

a.鐵氧體材料的特性和選擇；

b.磁場控制技術：主要研究磁場約束技術，提高耦合效率；

c.交變磁場的設計和產生技術：單方向交變磁場和往復交變磁場的產生和對傳能效率的影響；

d.負載偵測技術：研究主動式和被動式負載偵測技術；

e.在傳能系統中的信號傳輸技術：燈的工作狀態信號的回傳技術和通過傳能系統對燈狀態的控制；

（二）LED照明燈具的設計研究

基于無線傳能供電系統，研究安全電壓下的光源可快速更換的高效率、高舒適度的LED光源。具體為：

a.高效、高舒適度LED光源的研究：提高電磁轉換效率和驅動效率；

b.高電壓，高效LED研究：在人體安全電壓范圍內，盡量提高LED燈具供電電源，減少電流，提高傳輸效率；

c.超薄結構LED照明燈具與光源的光學設計：薄型光束擴散和聚合的光學元件及成型技術；

d.超薄結構的LED燈具的散熱設計：研究高效對流散熱結構及材料性能；

e.LED驅動方式與工作狀態對舒適度影響：直流恒流與脈沖恒流方式對照明舒適度的影響；

（三）無線傳能裝置與LED光源（燈具）的接口設計要點

a.機械接口：研究供電裝備與光源的對接機械接口，實際符合傳能需要的連接，尺寸精度和快速安裝；

b.磁場接口：研究磁耦合的方式及接口結構，提高磁場傳輸效率；

c.信號接口：研究磁信號的疊加和傳輸性能，實現控制信號的磁場傳輸。

四、結語

本文以無線傳能的LED技術為主線，介紹了一種基于無線傳能的LED新技術。對該技術的關鍵設計要點進行的簡要論述，為LED行業在創新方面提供了很好的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 無線電能有效傳輸距離及其影響因素分析.電工技術學報，2013（01）.

[2] 磁耦合諧振式無線電能傳輸方向性分析與驗證.電工技術學報，2014（02）.