新型固態(tài)照明技術(shù)需引入智能化控制方案

　　近年來，新型固態(tài)照明(SSL)解決方案能源效率更高、功能也更加強(qiáng)化，特別是功率發(fā)光二極管(LED)的導(dǎo)入更造成照明市場的重大變革。在眾多垂直應(yīng)用領(lǐng)域如號志燈、汽車應(yīng)用和液晶電視(LCD TV)背光應(yīng)用，LED成為令人無法抗拒的替代方案。然而，將LED廣泛應(yīng)用于普通照明卻并非易事，SSL解決方案的成本和效能無疑將持續(xù)改進(jìn)，希望在2010年得以普遍采納。

　　SSL搶攻普通照明市場

　　新型固態(tài)照明轉(zhuǎn)向普通照明市場的問題在于市場的容量及慣性，其它高效照明技術(shù)在近幾年也嘗試進(jìn)入普通照明市場，但多數(shù)都沒有成功。一種新照明技術(shù)要在復(fù)雜的市場中占有一席之地必須克服種種阻礙，而緊密型熒光燈的正是一例。其與舊產(chǎn)品的兼容性需求也許是最大挑戰(zhàn)，而且許多對新型固態(tài)照明持懷疑態(tài)度的人指出，嘗試直接改進(jìn)白熾燈泡照明應(yīng)用的設(shè)計存在很大的風(fēng)險。溫度管理、能量轉(zhuǎn)換和顏色管理都是必須解決的基本問題。產(chǎn)業(yè)界人士開始意識，不但有必要將傳統(tǒng)的機(jī)電解決方案改進(jìn)為更加高端的電子解決方案，而且還須采用智能的數(shù)字控制方式，從而享受此技術(shù)所帶來的收益和成本的節(jié)省。

　　白光為各LED廠商討論焦點

　　LED技術(shù)最大的優(yōu)點之一在于能夠以電磁輻射的形式，產(chǎn)生頻譜極窄的純色光，而且效率高、無熱輻射。如果產(chǎn)生的顏色正好是想要的顏色，固然很好，但是在普通照明應(yīng)用中，我們真正想要的是“白色”的光。換句話說，我們須要以精確的比例混合多種顏色，類似經(jīng)過地球大氣層過濾后到達(dá)人眼時的太陽光的光譜。

　　盡管與熒光燈類似，也是通過在藍(lán)光或紫外線發(fā)光器頂部涂上一層含磷材料，才能從LED光源中獲得白光，但實際含磷材料的成分及其厚度和涂層位置仍是所有主要的LED制造商廣泛探討的議題，而這也反映到制造商每個月都會宣布更新、更高效的研究結(jié)果上。而且，產(chǎn)生光的質(zhì)量也不斷提高，人眼感知的質(zhì)量實際上是通過測量相關(guān)色溫，也就是與燈的感知色非常接近的黑體溫度(CCT)測得的。這是一個非常重要的問題，因為早期熒光燈所產(chǎn)生的光有些刺眼，因此導(dǎo)致了早期緊密型熒光燈的“冷遇”。

　　從LED獲得白光的另外一個方法是按照正確的比例精確混合來自三色發(fā)光器的紅、綠和藍(lán)光(RGB)，這樣不但可以獲得白光，還可以獲得需要的相關(guān)色溫。圖1為一個簡單應(yīng)用電路，它使用一個八接腳封裝的8位微控制器控制三色LED。通過簡單的軟件技術(shù)控制三個發(fā)光器的相對亮度，每個發(fā)光器約可達(dá)到6位分辨率(提供六十四個亮度等級)，足以對顏色輸出(白光)進(jìn)行精確控制和選擇需要的CCT。

　　圖中的PIC12HV615閃存微控制器整合了分流穩(wěn)壓器、提供8MHz時鐘的振蕩器、重設(shè)電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，提供一個完整而靈活的單芯片解決方案。此閃存組件的電路內(nèi)可程序化功能也允許在生產(chǎn)時執(zhí)行顏色校準(zhǔn)過程，從而為補(bǔ)償各種發(fā)光器的性能差異和組件之間的差異提供了一種方法。

　　LED使用壽命雖長　卻易產(chǎn)生色度漂移

　　圖1中的解決方案有許多應(yīng)用，如應(yīng)用在要求每個模塊的顏色輸出與鄰近模塊的顏色相匹配的汽車儀表板照明中。越來越多稱為情境照明的應(yīng)用也陸續(xù)出現(xiàn)，當(dāng)然，也存在一些明顯的缺陷。

圖1　簡單的白光LED系統(tǒng)范例

　　首先，此解決方案的效率較低，因為它是一個線性解決方案，且每個發(fā)光器串聯(lián)的限流電阻器會消耗一些功率。在應(yīng)用的整個生命周期中還會出現(xiàn)更多的問題。

　　實際上，LED技術(shù)的主要優(yōu)點之一在于極長的工作壽命，但這也導(dǎo)致了色度漂移的問題。LED在工作50,000小時或更久后，其光輸出會逐漸下降到其標(biāo)稱值的70%。相較于白熾燈泡在使用1,500小時之后會突然報廢的狀況，其使用壽命確實很長。但不幸的是，在這50,000小時中白光LED的CCT會發(fā)生變化，隨著熒光粉的老化而升溫，趨近于藍(lán)色。即使是RGB LED解決方案也會有類似的問題，隨著三色發(fā)光器以不同的速度按照不同的曲線緩慢的老化，還是一樣會產(chǎn)生CCT色度漂移。

　　通過使用微控制器的智能功能，可以設(shè)計出多種技術(shù)，以使用預(yù)測算法或通過實現(xiàn)死循環(huán)控制系統(tǒng)來對組件的老化進(jìn)行補(bǔ)償。許多制造商會采用對光顏色敏感的組件，當(dāng)配合簡單的PID算法使用時可以一次解決色度漂移問題，當(dāng)然這樣會增加解決方案的成本。因為變化是在數(shù)千個小時中極其緩慢地進(jìn)行，所以毋須高計算性能，即使是最低成本的8位微控制器也可用于實現(xiàn)此控制機(jī)制。這種機(jī)制不但可以補(bǔ)償LED的老化，還可以補(bǔ)償驅(qū)動電路的老化，這個優(yōu)點對于如此長的應(yīng)用壽命時間而言是非常重要的。

　　溫度管理為照明應(yīng)用挑戰(zhàn)

　　普通照明應(yīng)用另一挑戰(zhàn)為溫度管理。如前述高功率LED在窄頻譜范圍(在可視光譜中)內(nèi)向外產(chǎn)生電磁輻射時不會消耗多余的能量，但仍會附帶產(chǎn)生熱量。與白熾燈泡等光源的不同之處在于這種熱量只能通過直接接觸(傳導(dǎo))而不是輻射的方式傳遞。為了與白熾燈泡照明系統(tǒng)兼容，會在普通照明系統(tǒng)如配套設(shè)備的設(shè)計中強(qiáng)加一些重要的限制。換句話說，為給定額定功率的白熾燈泡設(shè)計的照明系統(tǒng)很難適應(yīng)同等功率的LED燈，因為熱傳導(dǎo)路徑可能非常有限。高熱阻路徑會使LED發(fā)光器迅速過熱，從而破壞含磷材料(對于白色LED)，并且很快會損壞LED接合點。

　　功率轉(zhuǎn)換/控制為LED焦點

　　LED所有焦點都集中在獲得最大發(fā)光效率(lm/W)上，因而驅(qū)動/控制電路的效率也必須受到同樣的重視。LED是相對低電壓組件(Vf～3-4伏特)，與市電提供的高壓110～220伏特完全不匹配。此外，為了工作在最佳的效率等級和維護(hù)光輸出的恒定，須要精確控制LED的電流。只有開關(guān)電源能夠提供這種轉(zhuǎn)換所需的高效率。

　　使用多個恒流驅(qū)動拓?fù)鋪韴?zhí)行所需的功率轉(zhuǎn)換，隔離、功率因子校正和/或僅改進(jìn)現(xiàn)有解決方案可能都須要使用兩級處理。輸入電壓首先降低到中間電壓，在此級使用傳統(tǒng)技術(shù)滿足功率因素校正(PFC)和高電壓隔離要求，而第二級負(fù)責(zé)滿足LED電流和溫度控制要求。圖2顯示一個智能LED解決方案，它在恒流配置中采用升壓轉(zhuǎn)換器MCP1630。一個小型的8位微控制器可提供靈活的時鐘源、可程序化電流設(shè)定點(為了使驅(qū)動電路符合不同的LED模塊規(guī)范)以便進(jìn)一步節(jié)省功耗的調(diào)光功能，還提供使用遠(yuǎn)程溫度傳感器(整合的溫度傳感器如MCP9700或熱敏電阻)進(jìn)行的死循環(huán)溫度控制。

圖2　智慧LED解決方案示意圖

　　MCP1630像許多開關(guān)電源控制器一樣，已提供了過溫檢測功能。但是，由于驅(qū)動電路的溫度和實際LED模塊的溫度有很大的差異，MCP1630的過溫檢測功能與死循環(huán)溫度控制功能可以相互補(bǔ)充?；谖⒖刂破鞯闹悄芙鉀Q方案可提供很大的靈活性，向LED模塊輸出的功率隨著其溫度逼近臨界閾值而逐步降低，直到達(dá)到平衡，而不是突然關(guān)閉系統(tǒng)或僅發(fā)出警報。這種功能對于組件制造商非常重要，特別是在LED燈獨立于照明系統(tǒng)單獨設(shè)計和商業(yè)運作而且無法保證系統(tǒng)溫度設(shè)計正確的情況下。

　　也許采用智能驅(qū)動設(shè)計，亦即使用小型微控制器監(jiān)控LED驅(qū)動電路的最大優(yōu)點是使解決方案具有更多的智能和功能僅須添加幾行程序代碼。利用微控制器內(nèi)置的串行通訊接口實現(xiàn)簡單的數(shù)字協(xié)議，如DMX-512或DALI，使通訊接口易于實現(xiàn)?？墒褂靡蕴W(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)更高級的系統(tǒng)整合，或利用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)無線通訊。

　　而且，在連接每個照明點之后，可設(shè)計一個全新的能量管理系統(tǒng)通過節(jié)能策略，采用更加整體的方法進(jìn)一步提高整個家庭或辦公樓系統(tǒng)的效率。

　　在通常的情況下，如果新型固態(tài)照明，特別是功率LED解決方案要在普通照明中產(chǎn)生影響并實現(xiàn)潛能，最好是智能解決方案--采用價格低廉的微控制器實現(xiàn)的小型智慧，再加入到照明方案后可掃除阻礙先前技術(shù)引入的許多障礙。智能解決方案有助于校準(zhǔn)顏色、調(diào)光、管理熱量和通訊，從而使得固態(tài)照明成為當(dāng)今普通照明中與高效節(jié)能理念相符的高性價比替代方案。