Maxim Integrated Alec M.Makdessian

LED 照明是一項近乎主流的技術(shù)，換代LED 燈使物業(yè)管理人員和業(yè)主利用傳統(tǒng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施即可享受LED的較長工作壽命和節(jié)能特性。局域網(wǎng)（LAN）、以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)提供了前所未有的動態(tài)監(jiān)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(yīng)用優(yōu)勢在不斷發(fā)展和成熟，會成為越來越多傳統(tǒng)及新照明應(yīng)用的首選。LED 的優(yōu)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yè)和工業(yè)應(yīng)用，這些行業(yè)都對節(jié)能有較高的要求。

LED 發(fā)光的波長或顏色依賴于LED 構(gòu)造中所用的材料。借助合適的驅(qū)動器，LED 將具有更大的設(shè)計靈活性，便于調(diào)光和更改發(fā)光顏色；與合適的控制器及傳感器配合使用時，可根據(jù)環(huán)境中條件的變化調(diào)節(jié)發(fā)光量和顏色。這種能力使其可用于室內(nèi)照明以及可調(diào)光路燈和室外照明等，根據(jù)環(huán)境光變化改變其亮度。LED 調(diào)光節(jié)省的電能大約為1∶1，也就是說將LED 調(diào)光至50%，將節(jié)省大約50%的電能。

設(shè)計者不斷將LED 應(yīng)用于日益增長的各種照明應(yīng)用，現(xiàn)在討論兩種場景下的LED 應(yīng)用。設(shè)計者在傳統(tǒng)規(guī)格燈具中使用LED 模塊（例如MR16），LED 必須與已有的電力基礎(chǔ)設(shè)施配合工作，發(fā)揮LED 燈的優(yōu)勢。相比之下，以太網(wǎng)供電（PoE）LED 照明網(wǎng)絡(luò)則采用較新或并聯(lián)的電力基礎(chǔ)設(shè)施。在討論這些應(yīng)用之前，先簡要回顧一下LED驅(qū)動器。

LED驅(qū)動器

LED驅(qū)動器為低壓元件，用于將輸入電壓（例如120 V、220V 或277V）轉(zhuǎn)換為LED 要求的低壓，同時這些驅(qū)動器也解析控制信號，調(diào)暗、調(diào)亮以及更改發(fā)光顏色（如圖1所示）。LED驅(qū)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(qū)動器不可互相交換。燈具制造商可以選擇驅(qū)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(qū)動器為例進(jìn)行討論。

圖1 LED驅(qū)動器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為LED要求的電平

恒流驅(qū)動器支持脈寬調(diào)制（PWM）和恒流調(diào)光（CCR）法，在LED調(diào)光時調(diào)節(jié)輸出電流。LED 應(yīng)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(qū)動器不僅驅(qū)動高端和低端照明，而且負(fù)責(zé)連續(xù)或步進(jìn)調(diào)光。設(shè)計者可以根據(jù)應(yīng)用要求的各種組合將驅(qū)動與LED進(jìn)行匹配，包括驅(qū)動的LED數(shù)量、電源類型以及LED的功能特性。匹配不合適的LED驅(qū)動器實際上會縮短照明燈的工作壽命，引起不可預(yù)期的照明問題，例如閃變。

如果LED發(fā)光的幅度或頻率被周期性調(diào)制或波動（不可預(yù)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(fā)生快速變化，LED 燈就容易發(fā)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(qū)動器電路設(shè)計問題）。好的LED 驅(qū)動器設(shè)計應(yīng)考慮所有的內(nèi)部和外部因素，為LED 提供恒定、無振蕩電流，實現(xiàn)無閃爍調(diào)光。

翻新改造

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

由于LED僅發(fā)射可見光，發(fā)熱高于白熾燈或鹵素?zé)?，散熱也是限制照明燈產(chǎn)生發(fā)光量的因素之一。而當(dāng)今換代燈采用的LED技術(shù)幾乎達(dá)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(shè)計，是設(shè)計一款商業(yè)上成功的產(chǎn)品必不可少的，但是散熱設(shè)計必然會影響驅(qū)動板的使用壽命。為了發(fā)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(huán)境下，容易受高溫影響的驅(qū)動器電路板會限制整個LED燈的工作壽命。

為了能夠在現(xiàn)有電氣規(guī)格下工作，換代LED燈必須能夠配合基礎(chǔ)設(shè)施正確工作，然而每種基礎(chǔ)設(shè)施都存在自身的技術(shù)問題。對于鹵素?zé)?，由于耗流足夠高，能夠保證調(diào)光器保持導(dǎo)通，所以調(diào)光器工作得很好。然而，LED換代燈則不能支持可控硅調(diào)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(jié)果就是調(diào)光器不能正常啟動或在工作時關(guān)閉，導(dǎo)致LED燈產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。

電子式變壓器具有其自身的設(shè)計注意事項：要求負(fù)載為電阻性，但LED 燈不是電阻負(fù)載，因此，需要改變負(fù)載特性，防止電子變壓器關(guān)斷。LED 燈設(shè)計中的一項最大障礙就是需要開發(fā)無閃爍調(diào)光并兼容電子變壓器的照明燈。電子變壓器遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)磁性變壓器，當(dāng)LED 燈所需的電流較低時，是一項艱巨的設(shè)計問題。較低的LED 電流造成大多數(shù)LED 燈不能與電子式變壓器配合工作，調(diào)光器會進(jìn)一步減小電流，加劇了這一困難。Maxim 的MAX16840LED驅(qū)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(shù)電子變壓器和后沿調(diào)光器。

以太網(wǎng)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(jìn)行工作，這種特性允許LED 燈具變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡(luò)傳感器集中器，利用隔離的本地嵌入式處理器，照明系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)能。將智能LED 燈／傳感器集中器連接至局域網(wǎng)（LAN），允許已安裝的LED 集中器快速支持并充分利用IoT（物聯(lián)網(wǎng)）上涌現(xiàn)出的新功能，無需更換昂貴的照明燈，即可提供適應(yīng)未來發(fā)展的技術(shù)（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(shè)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(shè)一根數(shù)據(jù)電纜，所以布線成本較低，而且無需獨立的電源電纜。由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)布線無需雇傭有執(zhí)照、有資質(zhì)的電工，所以安裝成本較低。由于既能夠通過所連設(shè)備的電源實現(xiàn)離散控制，又能夠在斷電期間僅使用網(wǎng)絡(luò)連接提供電源備份，所以PoE 網(wǎng)絡(luò)可以支持更好的總體網(wǎng)絡(luò)電源管理。

圖2 整合傳感器的LED成為智能網(wǎng)絡(luò)集中器

PoE不會影響數(shù)據(jù)通信性能，而實際上通過PoE 單元及所連設(shè)備之間的功耗協(xié)商，可以防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備過載，而且只為兼容設(shè)備供電，防止向不兼容的傳統(tǒng)設(shè)備供電。這種方法允許用戶在其網(wǎng)絡(luò)上隨意、安全地混合使用傳統(tǒng)設(shè)備和PoE兼容設(shè)備。

在PoE配置中，每個LED燈具可為標(biāo)準(zhǔn)RJ45連接器即插即用設(shè)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(fā)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(shù)據(jù)送回至控制器（如圖3所示），收集的信息可能包括環(huán)境光、溫度、濕度以及匿名的房間使用率數(shù)據(jù)。例如，感應(yīng)傳感器可用于確保只在有人進(jìn)入房間時才打開照明燈，當(dāng)傳感器檢測不到任何人存在時，自動關(guān)閉照明。或者，環(huán)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(diào)節(jié)，以維持照明。

圖3 聯(lián)網(wǎng)的照明和傳感器能夠為任何使用照明的區(qū)域帶來新功能

通過PoE操作，LED照明系統(tǒng)變?yōu)橐粋€信息網(wǎng)絡(luò)，所以用戶可控制其附近的照明和溫度。系統(tǒng)能夠訪問其他建筑服務(wù)，例如接近檢測傳感器，以發(fā)現(xiàn)最近的空閑會議室。

PoE LED網(wǎng)絡(luò)能夠提供適應(yīng)未來發(fā)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(jīng)部署在人們聚集的位置，PoE是LED照明的未來。

結(jié) 語

換代LED燈可使用戶在使用傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施情況下享受LED 照明的工作和控制優(yōu)勢。PoE 支持LED 照明網(wǎng)絡(luò)使用安裝、維護(hù)和改造均比傳統(tǒng)電力基礎(chǔ)設(shè)施更簡單、價格更便宜的電源。PoE 供電的LED 照明網(wǎng)絡(luò)前所未有地為物業(yè)經(jīng)理和大廈業(yè)主提供了動態(tài)監(jiān)測和控制每個LED燈的能力。因為PoE 供電的LED 照明網(wǎng)絡(luò)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(yīng)未來發(fā)展的方法，很容易支持IoT 中不斷涌現(xiàn)的新功能。