大功率LED道路照明光源的調(diào)光方案

前言

　　商品化的、發(fā)光效率大于100 lm/W 的照明級(jí)高亮度白光LED（HBW-LED，以下簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED）技術(shù)的飛速發(fā)展，為第四代照明帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇，是一種具有廣泛應(yīng)用前景、性能優(yōu)良的道路照明光源。

　　雖然如此，應(yīng)該看到在實(shí)際使用中，人們不僅對(duì)道路照明的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、照明舒適度以及照明節(jié)能的要求越來(lái)越高，而且對(duì)品種豐富多樣、功率越來(lái)越大的LED 道路照明光源的光輸出特性要求也不同。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

　　●道路照明光環(huán)境的多樣性，即從單一照明時(shí)段滿光輸出到根據(jù)需求不同時(shí)段的可變光的輸出；

　　●道路照明節(jié)能的要求，即整個(gè)照明時(shí)段從全功率照明到某些時(shí)段的降功率照明，這樣既可以滿足道路安全的要求，又可以節(jié)約大量的能源。

　　因此，針對(duì)上述兩點(diǎn)，需要對(duì)不同照明模式下LED道路照明光源的調(diào)光方案進(jìn)行專門研究。

　　1 發(fā)光二極管道路燈具的調(diào)光特性分析

　　無(wú)論是從當(dāng)前道路照明的角度出發(fā)還是從節(jié)能方面的考量，LED 道路照明的調(diào)光需求都是合理且必要的。由于LED 器件自身固有的特性，調(diào)光不僅造成光輸出量減少的單一變化，而且會(huì)帶來(lái)一系列相關(guān)聯(lián)的特性改變。主要的相互關(guān)聯(lián)有：LED 芯片的發(fā)熱溫升、出光效率、使用壽命的變化，以及照明光源的光輸出特性、道路的照明效果、驅(qū)動(dòng)器工作特性、壽命變化等等一系列的問題。

　　1.1 LED 道路照明光源的調(diào)光模式

　　從實(shí)際使用的角度來(lái)看，LED 道路照明光源的調(diào)光模式主要分為有級(jí)型和無(wú)級(jí)型兩大類，具體的分析如下：

　　1.1.1 LED 的有級(jí)型調(diào)光模式

　　LED 的有級(jí)型調(diào)光是最常見的，也是最簡(jiǎn)單、使用最方便的調(diào)光方式。

　　鑒于單片封裝LED功率的相對(duì)較小及光源整體散熱的限制，LED 道路照明光源一般均采用多單元的陣列結(jié)構(gòu)。每一個(gè)LED 單元都具有獨(dú)立的配光特性，采用在驅(qū)動(dòng)器的輸出制式配合下，單元分組調(diào)光這種最簡(jiǎn)單的形式或者借鑒傳統(tǒng)道路照明調(diào)光方式的路燈間隔照明的減光方式。不僅如此，依據(jù)LED 道路照明光源調(diào)光對(duì)其光輸出特性的影響，又可以細(xì)分為以下幾種：

　　1.1.1.1 LED 單元的均勻分組調(diào)光

　　對(duì)于具有滿足道路照明要求光輸出特性的LED單元，其均勻分組調(diào)光只改變道路照明光源光輸出強(qiáng)度的大小，幾乎不改變其光輸出的特性，可以獲得調(diào)光前后一致的整體光輸出特性，是一種較為優(yōu)良的調(diào)光方式。在驅(qū)動(dòng)器的配合下，可以實(shí)現(xiàn)多檔調(diào)光。

　　圖1 給出了在同一道路照明光源內(nèi)多單元LED（在采用透鏡配光的、單一的LED 單元就能夠滿足配光特性要求的前提下）的調(diào)光原理a 及光源內(nèi)LED 單元均勻分組排列的結(jié)構(gòu)示意b（一種樣式）。由此可以得出，調(diào)光前后的對(duì)比只是改變光源光強(qiáng)輸出的大小，而不改變本身的配光特性，因此調(diào)光的效果是比較理想的，但是調(diào)節(jié)明暗的平滑度稍差，不能隨意地調(diào)節(jié)。

　　1.1.1.2 LED 單元的非均勻分組調(diào)光

　　同一道路照明光源內(nèi)LED 單元的非均勻分組調(diào)光，主要是每個(gè)LED 單元分別擔(dān)任不同的光輸出角色，總體用來(lái)形成滿足配光要求的光輸出特性，具有構(gòu)成簡(jiǎn)單、操控方便等特點(diǎn)。通過(guò)LED 單元非均勻分組排列的形式來(lái)獲得在調(diào)光模式下保證道路照明效果。

　　圖2 給出了這種調(diào)光原理a 及調(diào)光前后的LED 單元組亮滅的變化情況b。例如，城市道路照明中的前、后半夜需要不同的照明模式：前半夜為主、次車道全照明模式（組1 ＋組2），以保障主/快車道及次/慢車道的交通安全；后半夜交通流量很小，僅為主/快車道的道路照明模式（組2）。由此可見在同樣的照明光源功率下，這種調(diào)光的方式較圖1 來(lái)說(shuō)就顯得更為簡(jiǎn)單明了。

　　1.1.1.3 LED 道路光源的間隔調(diào)光

　　LED道路照明光源的間隔調(diào)光是仿照傳統(tǒng)道路照明，如高壓鈉燈（HPS）路燈的調(diào)光方式，通過(guò)開閉相隔的光源來(lái)達(dá)到調(diào)光/減光的目的，方法簡(jiǎn)易、操控方便。雖然單個(gè)光源的光輸出特性、照明效果、芯片的發(fā)熱量、出光效率、使用壽命以及驅(qū)動(dòng)器特性、使用壽命等在調(diào)光前后沒有變化，并且也能夠獲得很高的節(jié)能效果（50%），但是其致命的缺點(diǎn)是對(duì)總體道路照明的光照均勻度影響較大，易形成照明暗區(qū)即所謂的“斑馬效應(yīng)”， 嚴(yán)重影響到道路的行車安全，達(dá)不到國(guó)家對(duì)道路照明的規(guī)范要求，因此只適宜于對(duì)照明要求不太嚴(yán)格的次/慢車道和小道上使用。[!--empirenews.page--]

　　1.1.2 LED 的無(wú)級(jí)型調(diào)光模式

　　LED道路照明的無(wú)級(jí)型調(diào)光方式是一種比較理想的、在一定范圍內(nèi)隨意平滑的調(diào)光方式。其主要特點(diǎn)是：參與調(diào)光的每個(gè)LED 單元的工作狀態(tài)不再是只有亮和滅兩種狀態(tài)，而是工作于其中的某一中間環(huán)節(jié)，LED 單元按照需要平滑的改變工作狀態(tài)，使得光源輸出的光通量在大范圍自由變化，可以得到良好的道路照明、調(diào)光和節(jié)能效果。

　　1.1.2.1 LED 的無(wú)級(jí)型線性調(diào)光

　　LED的無(wú)級(jí)型線性調(diào)光是基于恒壓驅(qū)動(dòng)器的條件下，通過(guò)在其輸出端串聯(lián)線性元件的方式來(lái)改變驅(qū)動(dòng)器輸出電流的大小值，即調(diào)節(jié)LED 單元的發(fā)光亮度。

　　構(gòu)成的方式有兩種：一是串聯(lián)——可調(diào)電阻（手動(dòng)調(diào)節(jié)，見圖3a），二是串聯(lián)——工作于放大區(qū)域的大功率晶體管（可以利用小信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)）。從LED 的正向電流與光輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，在允許的范圍內(nèi)，這種對(duì)應(yīng)的關(guān)系幾乎是線性的。圖3 給出了這種LED 線性調(diào)光的原理a 和對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線b。該方案存在的主要問題是：基于白光LED 的特性使然，調(diào)光時(shí)的色溫將發(fā)生變化，不適合對(duì)色溫要求恒定的照明光源，但是對(duì)于不太重要的道路照明可能影響不大，選用時(shí)需要慎重考慮。另外輸出端引入的線性元件將帶來(lái)加大總體損耗、降低效率的不良后果。

　　因此不是一種理想的道路照明調(diào)光方案。

　1.1.2.2 LED 的無(wú)級(jí)型模擬調(diào)光

　1.2.1.1 LED 的光輸出及出光效率

　　目前，主流的、照明用大功率白色LED 的工作原理都是利用藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉來(lái)獲得白光的。

　　由圖7 可知藍(lán)光LED的光輸出隨著正向電流的增加呈近似的線性增加，這說(shuō)明電流大小與光輸出多少成正比，而其光效＝ / （lm/W） 則隨著正向電流的增加而近似線性下降，原因是其中相當(dāng)多的能量被晶格吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃肯牡?，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。

　　由此可見，由于道路照明的LED 在調(diào)光運(yùn)行模式下，電流的減小將帶來(lái)光輸出的減小和出光效率的增大，對(duì)LED 道路照明的運(yùn)行有利。再進(jìn)一步推斷：對(duì)于上述通過(guò)改變LED正向電流來(lái)進(jìn)行調(diào)光運(yùn)作的道路照明模式，照明光源中LED 的運(yùn)行也將處于較為有利的工作條件下，對(duì)于采用PWM 模式來(lái)進(jìn)行調(diào)光的LED 由于間斷的運(yùn)行模式也對(duì)改善LED 的運(yùn)行條件有利。

　　1.2.1.2 LED 的色溫變化

　　在調(diào)光運(yùn)行的模式下，由于白光LED 正向電流發(fā)生了變化，因此依據(jù)不同的調(diào)光方式其色溫變化情況也不盡相同。

　　在圖8 中，LED 的光輸出所對(duì)應(yīng)色坐標(biāo)x 和y 的值隨著LED 正向電流的變化而有規(guī)律地變化。調(diào)光時(shí)LED 的電流減小，此時(shí)x 值增大，y 值減小，從而導(dǎo)致人們不希望的色溫變化的出現(xiàn)。對(duì)于采用PWM 調(diào)光模式運(yùn)行的情況，由于LED 工作時(shí)的瞬時(shí)電流不變，因而可以較好地解決色溫的偏移問題，但是發(fā)光的效率有所降低。歸納起來(lái)就是，白光LED 在道路照明應(yīng)用時(shí)，采用何種調(diào)光模式，需要基于道路照明的要求并根據(jù)人們對(duì)調(diào)光時(shí)白光LED電流減小導(dǎo)致色溫變化（紅移）的適用性（主要是辨識(shí)障礙物的能力）及容忍性的大小等來(lái)進(jìn)行選擇。

　　1.2.1.3 LED 芯片的溫升和壽命

　　LED芯片的工作溫升與其使用壽命有著直接的關(guān)系。相對(duì)而言，溫升越低，其使用的壽命就越長(zhǎng)。例如：當(dāng)LED 芯片溫度45℃時(shí)，LED 的使用壽命為1×106 h，而溫度在105℃時(shí)，其壽命銳減為2×105 h。[!--empirenews.page--]

　　在道路照明中，由于室外的環(huán)境條件較為惡劣，位于光源內(nèi)（溫度有80~90℃以上）LED 的溫度較高，極端條件下幾乎接近于其所允許的最高范圍，因此散熱問題是LED 道路照明的核心問題之一，需要下工夫來(lái)解決。具體可參見圖9 所示。

　　基于此，在調(diào)光運(yùn)行模式下LED 所具有的較低運(yùn)行溫度對(duì)于提高其使用的壽命是非常有益的。                                                                                                 1.2.2 LED 驅(qū)動(dòng)器的特性及壽命

　　要使LED 道路照明能夠有效地發(fā)揮其固有的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)器的性能至關(guān)重要，也就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣直接關(guān)聯(lián)到LED 道路照明的使用和照明效果。由于道路照明環(huán)境的嚴(yán)酷性和高可靠性的要求，通常驅(qū)動(dòng)器需要具備以下的基本性能：

　?、佥敵鲇嗔浚?0%~-40%；

　?、谳斎腚妷海?0~305 VAC；

　?、坌剩?80%~92%；

　?、芄β室驍?shù)：0.90~0.99；

　　⑤多級(jí)驅(qū)動(dòng)隔離；

　?、?×104 h 耐久性測(cè)試；

　?、? 000 kV 浪涌測(cè)試；

　?、鄡?nèi)外部防雷系統(tǒng)；

　?、岱浪燃?jí)：IP67~68。

　　特別是在要求調(diào)光的情形下，LED 的表現(xiàn)更直接受制于驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)劣。目前對(duì)LED 器件及道路照明配光特性研究的文獻(xiàn)較多，而對(duì)其在實(shí)際照明光源條件下的工作條件、整體輸出特性可靠性及使用壽命等的研究相對(duì)較少。經(jīng)統(tǒng)計(jì)顯示，影響LED 驅(qū)動(dòng)電源壽命的一大主要因素是輸入濾波電解電容器在道路照明光源內(nèi)高溫環(huán)境下（80~90℃）的有效壽命問題，一般規(guī)律是：使用的環(huán)境溫度每升高10℃，電解電容器壽命將會(huì)減少一半。通常電解電容器的使用壽命在5000 h 以下，并且與使用的環(huán)境溫度有很大關(guān)系。雖然目前市場(chǎng)上有一種105℃的高溫電解電容器的標(biāo)稱壽命為1×105 h，并且在85℃環(huán)境下理論工作壽命可達(dá)4×105 h。按每天LED 照明光源工作12 h 來(lái)計(jì)算，理論上可用10 年，但是其造價(jià)較高，并且不同廠家的產(chǎn)品差異也較大?；诖?，研究減少直至取消電解電容器的LED 驅(qū)動(dòng)器是一課題方向。

　　圖10給出了基于某種特定產(chǎn)品的LED 驅(qū)動(dòng)器的使用壽命與溫度的關(guān)系、驅(qū)動(dòng)器輸出功率與其溫升的關(guān)系。

　　由圖10 所示，LED 驅(qū)動(dòng)器的工作壽命與其溫度呈現(xiàn)出較大的衰減特性。在調(diào)光運(yùn)行的條件下，由于LED 負(fù)載變輕導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器輸出功率降低，其內(nèi)部開關(guān)等器件的溫升較低，因此從使用的角度來(lái)考量調(diào)光運(yùn)行對(duì)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命是有利的，即能夠在較大的程度上提高其使用壽命，但是從其整體效率上來(lái)說(shuō)，由于輸出功率的減?。ㄌ貏e是在調(diào)光的最小輸出狀態(tài)下），而其自身功耗的減小程度相對(duì)輸出功率來(lái)說(shuō)比較小，因此將造成其整體效率的下降，這需要特別注意。

　　1.2.3 LED 光源的光輸出特性及道路照明效果

　　一般來(lái)說(shuō)，LED 道路照明光源的光輸出特性是依據(jù)道路照明規(guī)范的要求來(lái)確定的。在LED 道路照明光源光輸出特性的設(shè)計(jì)上，主要是采用LED 的一次配光（自身的封裝透鏡形成LED 器件）、二次配光（外加配光透鏡形成LED 單元）和三次配光（光源內(nèi)安裝的排列方式）或其中的一、二次配光方式來(lái)獲得滿意的道路照明效果。而在調(diào)光的運(yùn)行模式下，LED 光源的光輸出特性及道路照明效果就變得較為復(fù)雜，要分別加以分析。

　　1.2.3.1 LED 道路光源的光輸出特性

　　對(duì)于滿足道路照明要求的、具有獨(dú)立的光輸出特性的單個(gè)LED（單元）而言，有兩種情況需要考察：

　?、俨捎脽o(wú)級(jí)調(diào)光（線性、模擬或PWM）的方式，即所有LED 均參與調(diào)光，調(diào)光的結(jié)果只改變光源的整體光輸出的大小，而不改變其光輸出的特性，因此是一種理想的調(diào)光方式；

　?、谕ㄟ^(guò)LED（單元）來(lái)分組調(diào)光的情形，由于不是每個(gè)LED（單元）都參與調(diào)光運(yùn)行的，因此調(diào)光后光源的光輸出特性是改變的，此時(shí)光源的光輸出特性有可能不能滿足道路照明的相關(guān)要求，需要分門別類地加以認(rèn)真考慮和選擇。

　　1.2.3.2 LED 道路光源的照明效果

　　在上述光輸出特性中提到，在調(diào)光模式下LED 道路照明光源的配光曲線有可能發(fā)生改變，而光源的光輸出特性對(duì)道路照明的效果起到?jīng)Q定性的作用，因此撇開采用間隔照明在道路上形成的連續(xù)暗區(qū)、嚴(yán)重影響道路交通安全不說(shuō)，單單就上述的具有不同的光輸出特性的LED 道路照明光源來(lái)說(shuō)，光源的光輸出特性都是在全功率輸出條件下獲得的，因此凡是調(diào)光后光輸出特性改變的，不管改變多少，程度如何，對(duì)道路的照明都存在著一定的影響。因此，LED 道路照明的調(diào)光問題是一個(gè)綜合性的問題，實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)該以保證道路的照明效果和交通安全為前提，不能為了節(jié)能而節(jié)能，忽視了道路的交通安全，否則將是得不償失。

　　2 結(jié)束語(yǔ)

　　總之，社會(huì)經(jīng)濟(jì)及城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，使得LED 道路照明在實(shí)際使用過(guò)程中，人們不僅滿足于對(duì)其光輸出特性的要求，而且對(duì)道路照明光源所提供的照明品質(zhì)、照明環(huán)境、照明舒適度和照明節(jié)能等也提出了更高的要求，特別是對(duì)LED 道路照明條件下的交通安全、治安環(huán)境等要求也很高。這就要分別加以認(rèn)真分析和仔細(xì)研究。特別是要依據(jù)不同調(diào)光方式下LED道路照明光源所所具有的各自特點(diǎn)以及相適用的道路照明現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)LED 道路照明光源的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。這樣，對(duì)今后LED 道路照明光源大范圍的推廣和應(yīng)用都具有積極的意義。

　　LED的無(wú)級(jí)型模擬調(diào)光是基于恒流的驅(qū)動(dòng)條件下，通過(guò)在驅(qū)動(dòng)器的控制端加以直流控制電壓（如0~10V）或電阻等方式來(lái)改變驅(qū)動(dòng)器輸出電流的大小值，也即可以調(diào)節(jié)道路照明LED 單元的發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的關(guān)系近似為線性，調(diào)光原理光輸出與可調(diào)電阻對(duì)應(yīng)關(guān)系可參見圖4 所示。該模擬調(diào)光具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)時(shí)電流的過(guò)沖小、效率相對(duì)較高優(yōu)點(diǎn)。存在的主要問題是：

　　調(diào)光時(shí)的色溫將發(fā)生變化，不適合對(duì)色溫要求恒定的照明光源，但是對(duì)于不太重要的道路照明可能影響不大。因此是一種較理想的、具有較好效果的道路照明調(diào)光方案。

　　1.1.2.3 LED 的脈寬調(diào)制（PWM） 型無(wú)級(jí)調(diào)光

　　為了解決LED 的無(wú)級(jí)型線性調(diào)光和LED 的無(wú)級(jí)型模擬調(diào)光方案所帶來(lái)的諸多不利問題，提高LED 道路照明的效果及調(diào)光運(yùn)行的效率，通過(guò)利用人眼的暫留視覺特性，在不改變LED 瞬時(shí)電流大小的前提下，只改變其輸出電流的占空比（即電流有效值改變），來(lái)獲得調(diào)光的目的，就是一種理想的調(diào)光方式。調(diào)光的關(guān)系式可表述為：

　　DIM-LED= DIM× LED,

　?。ㄊ街校?DIM-LED 為L(zhǎng)ED 調(diào)光的平均電流， DIM 為調(diào)光控制波形的占空比； LED 為L(zhǎng)ED 正常電流。）圖5 給出了具體的應(yīng)用原理a、光輸出與調(diào)光信號(hào)占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系b，可供參照。

　　其主要的優(yōu)勢(shì)是：基于白光LED 的特性，調(diào)光時(shí)光源的色溫將能夠保持不變，因此對(duì)道路照明的效果就更為有利；不足之處是：調(diào)光運(yùn)行時(shí)LED 的過(guò)沖電流較大，發(fā)光效率有所降低，并且整個(gè)電路也較為復(fù)雜。[!--empirenews.page--]

　　1.1.2.4 LED 交流輸入的相控調(diào)光

　　通過(guò)采用交流相位調(diào)壓原理來(lái)改變驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)LED照明光源的光通量也是一個(gè)可行的方案，并且具有通用性。最常用的白熾燈調(diào)光方案是依靠一個(gè)成熟的元件晶閘管SCR改變輸入交流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是直接采用晶閘管SCR 來(lái)對(duì)LED 調(diào)光將會(huì)有以下的問題：

　?、俟庠吹墓β室驍?shù)問題：SCR 的導(dǎo)通角愈小，功率因數(shù)就愈低。當(dāng)調(diào)到1/4 亮度時(shí)，功率因數(shù)將低于0.25；

　?、诠庠吹男始罢彰餍Ч涸谡{(diào)光為低點(diǎn)時(shí)，LED電流不足，會(huì)造成SCR 的提早關(guān)閉，導(dǎo)致SCR 調(diào)光器中RC 延時(shí)電路的時(shí)間發(fā)生錯(cuò)亂，造成LED 照明光源的閃爍不定。

　　為此，需要研發(fā)出一種能夠適用于SCR 調(diào)光的專用LED 照明光源的驅(qū)動(dòng)芯片，用來(lái)滿足采用常規(guī)SCR調(diào)光器對(duì)LED 照明光源的調(diào)光要求。圖6給出了這種相控調(diào)光原理、相應(yīng)的光輸出與輸入功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　1.2 LED 道路照明的調(diào)光特性

　　由上述分析可知：LED 照明光源的調(diào)光問題不僅是造成光輸出量減少的這一變化外，還會(huì)給LED 及整個(gè)照明光源帶來(lái)一系列相關(guān)聯(lián)的特性改變，因此需要分別對(duì)其調(diào)光運(yùn)行的特性加以研究。

　　1.2.1 LED 的特性變化

　　由于LED進(jìn)行調(diào)光的機(jī)理就是改變其正向的電流有效值大小，而LED 的諸多特性都是與其直接相關(guān)聯(lián)的，因此在調(diào)光模式下LED 的特性變化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：