增加LED的智能以改善發(fā)光質(zhì)量、效率與成本

數(shù)字控制靈活性使OEM只要設(shè)計一種控制器，就可以驅(qū)動各種最終產(chǎn)品，提升設(shè)計靈活性，為燈光裝置帶來新的智能與差異化。

隨著照明業(yè)轉(zhuǎn)向LED技術(shù)， 也增加了對更智能控制器與驅(qū)動器的需求。LED的高效運行可以有效抑制家庭與單位上漲的電費支出。很多應(yīng)用需要提供恒定不變的照明質(zhì)量，同時支持先進的控制功能，如調(diào)光、色溫均衡，以及精確混色等。應(yīng)用的自診斷可以減少對技術(shù)人員的需求，從而降低維護費用，遠程連接也成為這些應(yīng)用的一種常規(guī)要求。

LED照明應(yīng)用中加入智能可能需要從固定功能的LED驅(qū)動器轉(zhuǎn)向基于微控制器或可編程架構(gòu)。專用的功率電子微控制器還能夠在照明控制與通信以外控制照明電源，從而使照明應(yīng)用擁有更高效率和更具性價比。向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)化提升了靈活性，可以使照明產(chǎn)品達到新的智能與差異化水平。

獲得智能平臺

照明行業(yè)正在快速地利用LED技術(shù)的很多優(yōu)點(見附文“LED的優(yōu)點”)。不過，LED應(yīng)用對于所需要支持的能力有著很大的差異。

家居應(yīng)用包括燈泡替換、重點照明， 以及小型室外照明。通常情況下，只需要點亮少數(shù)LED，一般是一串至兩串。鑒于這個市場存在著低成本壓力，一般不常用到先進的控制功能。

商務(wù)應(yīng)用包括熒光鎮(zhèn)流器、燈泡替換，以及重點照明。只需要點亮少數(shù)LED，一般是一串至兩串。雖然關(guān)注成本，但這個市場也注重節(jié)能。較高端應(yīng)用需要遠程連接能力，以及某些控制器智能。

娛樂應(yīng)用包括高端顯示屏和情境照明。對光強度的完全控制以及始終如一的彩色質(zhì)量是基本需求，另外還要有遠程連接，以及支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如DALI(可數(shù)字尋址照明接口)和DMX512。

室外與基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用包括街道照明以及工廠和大型辦公樓的照明。通常需要大量LED，必須支持很多燈串；高亮度LED也很常用。這些應(yīng)用需要遠程連接能力，以及高水平的控制器智能。

基于LED 的最簡單照明系統(tǒng)是使用一個LED驅(qū)動器，通常是一個固定功能的設(shè)備，它提供一種簡單直接的低成本控制方法。一般來說，它們有不錯的功率效率，不需要軟件編程。開發(fā)人員頂多是在選擇驅(qū)動器或決定電路板上元件的具體數(shù)值時要做一些計算。

雖然使用簡單明確，但很多LED驅(qū)動器缺乏更先進系統(tǒng)的充分靈活性。要在某個給定應(yīng)用中支持多種LED類型或LED串結(jié)構(gòu)，就可能需要不同的方案。事實上，系統(tǒng)中的任何修改都可能需要改動驅(qū)動器，如一串中LED數(shù)量變化，或一個裝置中LED串?dāng)?shù)的變化等。因此，一家OEM提供的多數(shù)照明產(chǎn)品都可能需要專門的模擬驅(qū)動器。如果產(chǎn)品數(shù)量眾多，這種要求會增加OEM或供應(yīng)商的庫存品種種類，可能降低規(guī)模經(jīng)濟性，或?qū)е赂叩脑O(shè)備成本。

另一方面，智能控制器則使開發(fā)者能夠創(chuàng)造出更靈活的照明系統(tǒng)。在采用微控制器的系統(tǒng)中，可以通過配置代碼來支持各種不同類型的LED、專有的功率級需求、不同的串長度，以及不同的串?dāng)?shù)，而無需對硬件做大的改動。系統(tǒng)可以設(shè)計成能自動檢測需要驅(qū)動的LED數(shù)量。微控制器系統(tǒng)的可編程特性甚至能夠?qū)崿F(xiàn)高級的調(diào)光和定時功能，用于更高級的照明場景控制與自動照度水平。

數(shù)字控制的靈活性使OEM只要設(shè)計一種控制器，就可以驅(qū)動各種最終產(chǎn)品。重新使用控制IP還可以大大降低設(shè)計投入。一只靈活的控制器可減少需要庫存的器件數(shù)量，通過規(guī)模經(jīng)濟性而降低總的系統(tǒng)成本。

用數(shù)字控制的集成

一個智能LED照明系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括三個主要部分：功率轉(zhuǎn)換、LED控制和通信(圖1)。

功率轉(zhuǎn)換級為LED提供正確的電壓與電流。開始是AC/DC整流，然后是一個PFC(功率因數(shù)校正)級，再后面是一個或多個并聯(lián)的DC/DC轉(zhuǎn)換級。高能效的功率轉(zhuǎn)換要求對這些級進行精確和靈活的控制。

主級的每個部分都需要一個智能控制器， 以維持其效率及功能。固定功能的模擬方案可能需要獨立的PFC、DC/DC、LED和通信控制器。而專用的功率電子微控制器可以實現(xiàn)高度的集成，減少了電源的元件數(shù)量。事實上，單只微控制器有足夠的性能、功率優(yōu)化外設(shè)及通信端口，可以提供一個中心化的可編程平臺，從而協(xié)調(diào)地控制一個智能照明系統(tǒng)的所有三個級，處理有關(guān)電源、LED照明控制與通信的任務(wù)。

數(shù)字功率控制也有可能使動態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。雖然LED較傳統(tǒng)光源效率有明顯的提升，從而相應(yīng)地降低了使用與電費成本，但并非所有LED系統(tǒng)都是相同的。數(shù)字電源控制可以在LED照明系統(tǒng)做調(diào)光、改變顏色輸出，或調(diào)整光強輸出時，讓功率級獲得更高效率。同樣，在固定照明條件下，微控制器可以通過更先進的功率級設(shè)計，增加運行效率。這種效率增長對最終用戶很有吸引力，可以成為兩種LED系統(tǒng)相互比拼時的一個關(guān)鍵差異點。

假設(shè)一個城市打算更換2000 盞街燈， 正在評估兩種模型， 相互之間效率有10%的差值(圖2)。對高效率系統(tǒng)來說， 進入系統(tǒng)的輸入功率為178W，而低效率系統(tǒng)需要200W才能獲得相同效果的160W光輸出。這樣單是電源本身的功率， 轉(zhuǎn)換成每年能源成本， 大約能多節(jié)省10 % ，本例中就是33,726美元。節(jié)省余額超過采用LED系統(tǒng)的節(jié)省。

智能的好處

對于很多應(yīng)用來說(包括商業(yè)顯示屏與娛樂照明)，發(fā)光的質(zhì)量很重要。此時，質(zhì)量是指輸出穩(wěn)定光強與顏色的能力。影響LED性能有三大主要因素：制造差異、溫度和老化。

不同批次的LED 輸出可能有很大變化；采用同一產(chǎn)品線但不同批次LED的器件，可能發(fā)光質(zhì)量也不同，就是因為存在制造差異。在單臺設(shè)備上使用相同批次的LED，就可以保持質(zhì)量的一致性，如果不能做到這點，不同批次LED做的設(shè)備相鄰安裝時，其發(fā)光質(zhì)量就能產(chǎn)生可察覺(以及不可接受)的差異。有了智能控制器，系統(tǒng)可以對任何差異做校準(zhǔn)補償。由于這一工作是軟件完成，因此，如果需要產(chǎn)品的一致性，可以在設(shè)備制造期間完成校準(zhǔn)工藝。

隨著環(huán)境溫度的變化，LED的輸出也會改變。為補償這個效應(yīng)，系統(tǒng)需要用一只傳感器檢測環(huán)境的溫度。微控制器讀出傳感器數(shù)據(jù)，相應(yīng)地調(diào)節(jié)LED驅(qū)動，動態(tài)地校準(zhǔn)顏色和光強度。由于溫度只需要定期檢查，所以這個工作的負荷不高。這也能讓系統(tǒng)監(jiān)控自己本身的安全狀況。例如當(dāng)LED溫度超過了一個規(guī)定閾值時，照明控制器可以降低光強，或關(guān)掉某個LED串，并遠程通知工作人員。極端溫度會使LED過早老化，使其光輸出降級。確保LED不超過某個溫度，可以延長其使用壽命。

LED的老化會影響發(fā)光質(zhì)量，造成顏色的變化。例如，紅色LED要比藍色LED老化得更快，某個確定功率輸出或PWM頻率產(chǎn)生的顏色會隨時間而漂移。智能控制器可以考慮到老化情況，校正顏色曲線，從而在LED系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)維持一致的發(fā)光。

用于質(zhì)量管控的同種技術(shù)還可以提高安全性和效率,可以調(diào)節(jié)發(fā)光強度以配合當(dāng)前的環(huán)境光，例如在暴風(fēng)雨的天氣，街燈可能提前開啟，或當(dāng)有充足的環(huán)境光時，可以調(diào)低亮度以節(jié)省能耗。交通燈或特殊街燈上的傳感器可以監(jiān)控深夜的交通狀況，如果車流變多，可以提高街面照明亮度。

在倉庫里，工人可能會零散地使用不同的空間。通過室內(nèi)感應(yīng)傳感器，能夠只對正在使用的部分照明。如果在任何時間，只用到車間的50%面積，則其余的燈可以關(guān)閉，節(jié)省一半能耗。

同樣考慮圖2中的街燈例子。在深夜里，很多街燈可以比全亮?xí)r調(diào)暗，因為交通流量下降。如果運動傳感器之間有通信網(wǎng)絡(luò)，街燈就可以動態(tài)地開關(guān)，以適應(yīng)車流的需求。為獲得更高效率，圖2中顯示的178W輸入系統(tǒng)可關(guān)閉25%的燈，相應(yīng)節(jié)省25%的能耗，相當(dāng)于每年68,218美元，以下面幾個式子計算：1,819,160kWhr/ 年×75% / 夜晚工作時間=1,364,370kWhr/年1,364,370kWh r/年×0.15美元/kWhr=204,656美元每年費用272,874美元初始的年費用減去204,656美元修正后年費用=68,218美元每年節(jié)約將電源效率的節(jié)省數(shù)與智能工作的節(jié)省數(shù)相加，每年可節(jié)約101,944美元，約占系統(tǒng)的大約33%。

遠程連接

遠程連接是智能照明系統(tǒng)的一個關(guān)鍵性能。智能設(shè)備可以自動管理自己的運行，提升效率與質(zhì)量。但除非設(shè)備可以與中心控制器通信，否則這種智能必須預(yù)先編寫好，并且只有單臺設(shè)備可以獲得最高效率。

通過將照明系統(tǒng)中的各個部件連網(wǎng)，開發(fā)人員可以協(xié)調(diào)整體裝置中各設(shè)備的運行。這樣做能實現(xiàn)一種全新的功能，包括遠程調(diào)光、遠程關(guān)機與緊急控制。操作者可以從一個中心控制位置調(diào)節(jié)整個光組的照明強度，而不需要單獨調(diào)節(jié)每盞燈。

為獲得最多功能，每個部件都必須既能接收信息，也能將信息發(fā)回給操作者。這樣，街燈可以做簡單的自我診斷，以判斷是LED燒壞，還是性能低于了一個最小品質(zhì)閾值，然后告知操作員做必要的維護。這樣，就不需要讓技工去做定期維護來確保設(shè)備正常工作，操作人員可以遠程做出檢查，只有當(dāng)問題嚴重到一定程度時，才派技工去。這種遠程監(jiān)控與LED的長工作壽命相結(jié)合，可以大大節(jié)省維護成本，增加運行的安全性，因為可以立即判斷出故障。

遠程控制還能實現(xiàn)其它先進功能，這些功能對工作效率和成本有明顯的影響，能夠動態(tài)地控制燈光，以及將多處照明點連網(wǎng)到某處的一個控制點，這個控制點也許與實際燈光位置距離遙遠。例如，街燈可能需要按照夏令時做出調(diào)整，此時不需要派技工去每個控制箱，照明系統(tǒng)操作人員可以在系統(tǒng)中修改所有燈光的時間表。操作人員還可以輕易地在時間表中實現(xiàn)臨時改變，例如在晚場結(jié)束的運動會后提供道路燈光照明，或者在繁忙季節(jié)中保持工廠照明等。遠程控制還能在緊急狀況下直接控制燈光，從而提高安全性。

商用與工業(yè)中的智能照明還有一個更有益的功能，這就是精確地跟蹤功耗情況。例如，過去街燈的支付費率是固定不變的，而有了智能燈光控制器，市政操作人員就可以跟蹤實際功耗，將數(shù)據(jù)發(fā)至一個中心控制點，確保該市支付的電費不超過實際金額。

對實際使用情況的數(shù)據(jù)記錄能讓操作人員精確地調(diào)節(jié)自己的運行成本規(guī)劃、維護資源以及未來投入。它還能夠?qū)崿F(xiàn)更先進的前瞻性診斷。動態(tài)高能耗或需要大量更換燈泡，這些問題如果能提早告知操作人員，就可以在它們推高運行與維護成本以前，盡快加以處理。

連接能力也是很多照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 尤其是娛樂應(yīng)用。這個市場中已有了很多通信標(biāo)準(zhǔn)， 包括DALI、DMX512和KNX，而支持這些協(xié)議的設(shè)備就擁有了一種競爭優(yōu)勢。