新型固態(tài)照明（SSL）技術(shù)需引入智能化控制方案

   近年來(lái)，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(chǎng)的重大變革。在眾多垂直應(yīng)用領(lǐng)域如號(hào)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(wú)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(wú)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(chǎng) 
　　新型固態(tài)照明轉(zhuǎn)向普通照明市場(chǎng)的問(wèn)題在于市場(chǎng)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(chǎng)，但多數(shù)都沒(méi)有成功。一種新照明技術(shù)要在復(fù)雜的市場(chǎng)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(duì)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(jì)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。溫度管理、能量轉(zhuǎn)換和顏色管理都是必須解決的基本問(wèn)題。產(chǎn)業(yè)界人士開始意識(shí)，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(lái)的收益和成本的節(jié)省。 
　　白光為各LED廠商討論焦點(diǎn)

　　LED技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)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(wú)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(shuō)，我們須要以精確的比例混合多種顏色，類似經(jīng)過(guò)地球大氣層過(guò)濾后到達(dá)人眼時(shí)的太陽(yáng)光的光譜。

　　盡管與熒光燈類似，也是通過(guò)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(shí)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(gè)月都會(huì)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(shí)際上是通過(guò)測(cè)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(cè)得的。這是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，因?yàn)樵缙跓晒鉄羲a(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(gè)方法是按照正確的比例精確混合來(lái)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(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用電路，它使用一個(gè)八接腳封裝的8位微控制器控制三色LED。通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件技術(shù)控制三個(gè)發(fā)光器的相對(duì)亮度，每個(gè)發(fā)光器約可達(dá)到6位分辨率(提供六十四個(gè)亮度等級(jí))，足以對(duì)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(shí)鐘的振蕩器、重設(shè)電路和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，提供一個(gè)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(shí)執(zhí)行顏色校準(zhǔn)過(guò)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。 [!--empirenews.page--]

　　LED使用壽命雖長(zhǎng)　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(gè)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(lái)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(jiǎn)單的白光LED系統(tǒng)范例

　　首先，此解決方案的效率較低，因?yàn)樗且粋€(gè)線性解決方案，且每個(gè)發(fā)光器串聯(lián)的限流電阻器會(huì)消耗一些功率。在應(yīng)用的整個(gè)生命周期中還會(huì)出現(xiàn)更多的問(wèn)題。

　　實(shí)際上，LED技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一在于極長(zhǎng)的工作壽命，但這也導(dǎo)致了色度漂移的問(wèn)題。LED在工作50,000小時(shí)或更久后，其光輸出會(huì)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(shí)之后會(huì)突然報(bào)廢的狀況，其使用壽命確實(shí)很長(zhǎng)。但不幸的是，在這50,000小時(shí)中白光LED的CCT會(huì)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(huì)有類似的問(wèn)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(huì)產(chǎn)生CCT色度漂移。

　　通過(guò)使用微控制器的智能功能，可以設(shè)計(jì)出多種技術(shù)，以使用預(yù)測(cè)算法或通過(guò)實(shí)現(xiàn)死循環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)組件的老化進(jìn)行補(bǔ)償。許多制造商會(huì)采用對(duì)光顏色敏感的組件，當(dāng)配合簡(jiǎn)單的PID算法使用時(shí)可以一次解決色度漂移問(wèn)題，當(dāng)然這樣會(huì)增加解決方案的成本。因?yàn)樽兓窃跀?shù)千個(gè)小時(shí)中極其緩慢地進(jìn)行，所以毋須高計(jì)算性能，即使是最低成本的8位微控制器也可用于實(shí)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(dòng)電路的老化，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于如此長(zhǎng)的應(yīng)用壽命時(shí)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(shí)不會(huì)消耗多余的能量，但仍會(huì)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(guò)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(huì)在普通照明系統(tǒng)如配套設(shè)備的設(shè)計(jì)中強(qiáng)加一些重要的限制。換句話說(shuō)，為給定額定功率的白熾燈泡設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)很難適應(yīng)同等功率的LED燈，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)路徑可能非常有限。高熱阻路徑會(huì)使LED發(fā)光器迅速過(guò)熱，從而破壞含磷材料(對(duì)于白色LED)，并且很快會(huì)損壞LED接合點(diǎn)。

　　功率轉(zhuǎn)換/控制為L(zhǎng)ED焦點(diǎn)

　　LED所有焦點(diǎn)都集中在獲得最大發(fā)光效率(lm/W)上，因而驅(qū)動(dòng)/控制電路的效率也必須受到同樣的重視。LED是相對(duì)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(jí)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。 [!--empirenews.page--]

　　使用多個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋪?lái)執(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(jí)處理。輸入電壓首先降低到中間電壓，在此級(jí)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(jí)負(fù)責(zé)滿足LED電流和溫度控制要求。圖2顯示一個(gè)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(gè)小型的8位微控制器可提供靈活的時(shí)鐘源、可程序化電流設(shè)定點(diǎn)(為了使驅(qū)動(dòng)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(guò)溫檢測(cè)功能。但是，由于驅(qū)動(dòng)電路的溫度和實(shí)際LED模塊的溫度有很大的差異，MCP1630的過(guò)溫檢測(cè)功能與死循環(huán)溫度控制功能可以相互補(bǔ)充。基于微控制器的智能解決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(bào)。這種功能對(duì)于組件制造商非常重要，特別是在LED燈獨(dú)立于照明系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)和商業(yè)運(yùn)作而且無(wú)法保證系統(tǒng)溫度設(shè)計(jì)正確的情況下。

　　也許采用智能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，亦即使用小型微控制器監(jiān)控LED驅(qū)動(dòng)電路的最大優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字協(xié)議，如DMX-512或DALI，使通訊接口易于實(shí)現(xiàn)。可使用以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的系統(tǒng)整合，或利用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。

　　而且，在連接每個(gè)照明點(diǎn)之后，可設(shè)計(jì)一個(gè)全新的能量管理系統(tǒng)通過(guò)節(jié)能策略，采用更加整體的方法進(jìn)一步提高整個(gè)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(shí)現(xiàn)潛能，最好是智能解決方案--采用價(jià)格低廉的微控制器實(shí)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(jià)比替代方案。