LED照明应该变得更加智能

LED照明应该变得更加智能

　　能量效率更高、功能更强的新型LED固态发光（SSL）产品的发展很快，被认为是照明市场上的主要革命性进步。在许多垂直应用中，如信号灯、汽车、LCD TV背光，LED已经毫无争议地成为传统光源的替代产品。但对于范围更广的通用照明，LED还没有被广泛接受，其应用也将落后这些垂直应用数年。固态发光产品的成本和效率无疑将继续快速改进，并将很快到达被广泛接受的门槛，有可能是2007年或2008年，也有人认为将推迟到2010年前后。

　　通用照明中的固态发光产品

　　阻碍这种转移的原因是一传统市场的容量太大，二是市场的惯性所致。要满足后向的兼容性恐怕是最大的挑战。热管理、电压转换和色彩管理是需要解决的基本问题。随着越来越多的业内人士开始认识到这些问题，需要采用智能的数字控制方法来经济有效地解决各种各样的挑战，然后才能享受新技术所带来的好处。

　　有趣的效率数字

　　据能源之星的官员估计，如果全美都采用LED这种高效的照明方式，那么全美的电力需求将减少10%以上，可以为纳税人节约1700万美元的开支，减少2亿吨的二氧化碳排放量，相当于减少了1500万量汽车。

　　如果在建筑物上采用LED照明，可以节约48%的照明用电。一盏白炽灯的发光效率一般是10~15lm/W,荧光灯的效率可达70~100lm/W,氙气灯的效率为80~120lm/W,目前的商用LED的效率为80lm/W,有些实验产品已经达到了131lm/W,而LED的最大理论光效是200lm/W.

　　白色并不是色彩

　　LED的最大问题是发光的频带很窄，这样光的颜色很单一，可以达到高效率，并且不会发热。如果光的颜色正是我们所要的当然最好了，但在一般的照明中，我们需要的都是白光。换句话说，我们需要的是按照一定比例混合起来的多种颜色，来模仿经过地球大气过滤后的阳光的频谱。

　　可以通过在LED的蓝色或紫外光源上涂上一层含磷材料，来获得白光。所有的LED厂商都在对含磷材料的成份、厚度、位置进行广泛的研究。

　　LED厂商们接连不断地公布新的研究成果，称新器件的效率比以往任何产品的效率都高。此外，光源的质量也在不断提高。我们眼睛所看到的光的质量可以用相关色彩温度（CCT）来衡量，这是与所感觉到的灯的颜色最匹配的黑体的温度。

　　恰当地混合各种颜色

　　获得白光LED的另一种方法是按照正确的比例将红、绿、蓝（RGB）三种颜色混合起来，不但能获得白光，而且还能获得所需的色温。图1是这种方法的应用电路，用1个8引脚的8位MCU来控制三色RGB LED.只需简单的算法，就可以对3个发光管的相对光强进行控制，可以达到6位的分辨率（64个光强等级），对控制颜色输出和相关颜色温度来说是足够的了。

　　该电路采用了PIC12HV615闪存MCU、分压电阻、复位电路、A/D转换器，振荡器提供8MHz的时钟，构成了一个简单的单芯片解决方案。在生产时，还可以利用这种闪存器件的在电路可编程特性进行颜色校准。

　　LED的寿命

　　图1所示的电路适用于很多应用，但有一个很重要的缺点是效率低。这是一个线性解决方案，电能都消耗在镇流器电阻上了。此外，在整个产品生命周期内还可能出现更多的问题。

　　图1 可进行颜色校准的白光LED系统

　　LED的一个主要优点是极长的使用寿命，这也带来一个严重的问题，即偏色。LED可以使用50 000小时以上，其发光强度会从标称值逐步下降到70%左右（白炽灯在使用大约1 500小时以后会突然失效）。

　　不幸的是，在这50 000小时内，一个白光LED的相关色彩温度（CCT）将会发生变化，当荧光粉老化的时候，CCT会向更高的温度漂移，即向蓝色漂移。当三种颜色的发光体按照不同的曲线老化时，RGB的LED也会出现类似的问题。

　　通过使用微控制器，加上预测算法或闭环控制系统，将会开发出几种技术来补偿由于器件老化所带来的影响。有些生长商已经生产出了彩色光敏元件，再配合简单的PID算法就可以一次性地彻底解决色彩漂移问题，当然采用这种元件会增加一些成本。

　　由于色彩漂移的过程非常缓慢，就不需要很高的计算性能，甚至低成本的8位MCU就能满足要求。

　　LED并不是冷的

　　通用照明中的另一个很大的挑战是热管理问题。正如前文所述，高功率的LED在很窄的一个频带内向外产生电磁辐射时不会浪费能量，但仍然会产生热量，热量会通过传导而不是辐射的方式散发出来，这一点类似于白炽灯。

　　由于要考虑后向兼容性，LED的发热问题给设计通用照明系统提出了很大的限制。为一个给定功率的白炽灯设计的照明系统很难适应同样功率的LED,因为热传导的路径是非常有限的。

　　功率转换和控制

　　当整个业界都把关注的重点放在如何实现最大的LED发光效率时，驱动/控制电路的效率问题也必须受到同样的重视。LED是低电压器件（Vf为3~4V），工作电压与市电完全不匹配，为实现最高的效率和保持持续的光输出，LED需要精确的电流控制和开关模式的功率转换。

　　为解决这个问题，必须采用一些恒流驱动技术。不但需要隔离、功率因数校正，在有些情况下还需要进行两级处理。输入电压先被降低到一个中间电压，并采用功率因数校正和高电压隔离，第二级解决LED对电流和热控制的需求。

　　图2是采用了升压转换器（MCP1630）的恒流配置方案，由8位MCU提供灵活的时钟源，电流设定点可由编程设定，以适应不同的LED模块、调光功能，并利用外置的传感器提供闭环的温度控制。

　　图2 采用MCU和恒流驱动器的智能LED解决方案

　　基于MCU的解决方案具有极大的灵活性。当LED的温度接近临界门限时，向LED输出的功率会逐步减小，而不是突然关闭系统或简单地发出警报。尤其是在LED是分别由不同公司设计，并且无法保证正确的热设计的情况下，这种功能尤为关键。

　　智能的驱动设计也意味着MCU的内置串行外设可以支持简单的通信协议，例如DMX-512或DALI.在进行更高级的系统集成时，还会需要以太网或ZigBee连接，从而设计出全新的能源管理系统。