LED的导入为什么会造成照明市场的重大变革？它有什么优点?

LED的导入为什么会造成照明市场的重大变革？
它有什么优点?

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古贤睦

2021-4-6 15:07:28

近年来，新型固态照明（SSL）解决方案能源效率更高、功能也更加强化，特别是功率发光二极管（LED）的导入更造成照明市场的重大变革。在众多垂直应用领域如号志灯、汽车应用和液晶电视（LCD TV）背光应用，LED成为令人无法抗拒的替代方案。然而，将LED广泛应用于普通照明却并非易事，SSL解决方案的成本和效能无疑将持续改进，希望在2010年得以普遍采纳。
SSL抢攻普通照明市场
新型固态照明转向普通照明市场的问题在于市场的容量及惯性，其它高效照明技术在近几年也尝试进入普通照明市场，但多数都没有成功。一种新照明技术要在复杂的市场中占有一席之地必须克服种种阻碍，而紧密型荧光灯的正是一例。其与旧产品的兼容性需求也许是最大挑战，而且许多对新型固态照明持怀疑态度的人指出，尝试直接改进白炽灯泡照明应用的设计存在很大的风险。温度管理、能量转换和颜色管理都是必须解决的基本问题。产业界人士开始意识，不但有必要将传统的机电解决方案改进为更加高端的电子解决方案，而且还须采用智能的数字控制方式，从而享受此技术所带来的收益和成本的节省。
白光为各LED厂商讨论焦点
LED技术最大的优点之一在于能够以电磁辐射的形式，产生频谱极窄的纯色光，而且效率高、无热辐射。如果产生的颜色正好是想要的颜色，固然很好，但是在普通照明应用中，我们真正想要的是“白色”的光。换句话说，我们须要以精确的比例混合多种颜色，类似经过地球大气层过滤后到达人眼时的太阳光的光谱。
尽管与荧光灯类似，也是通过在蓝光或紫外线发光器顶部涂上一层含磷材料，才能从LED光源中获得白光，但实际含磷材料的成分及其厚度和涂层位置仍是所有主要的LED制造商广泛探讨的议题，而这也反映到制造商每个月都会宣布更新、更高效的研究结果上。而且，产生光的质量也不断提高，人眼感知的质量实际上是通过测量相关色温，也就是与灯的感知色非常接近的黑体温度（CCT）测得的。这是一个非常重要的问题，因为早期荧光灯所产生的光有些刺眼，因此导致了早期紧密型荧光灯的“冷遇”。
从LED获得白光的另外一个方法是按照正确的比例精确混合来自三色发光器的红、绿和蓝光（RGB），这样不但可以获得白光，还可以获得需要的相关色温。图1为一个简单应用电路，它使用一个八接脚封装的8位微控制器控制三色LED。通过简单的软件技术控制三个发光器的相对亮度，每个发光器约可达到6位分辨率（提供六十四个亮度等级），足以对颜色输出（白光）进行精确控制和选择需要的CCT。
图中的PIC12HV615闪存微控制器整合了分流稳压器、提供8MHz时钟的振荡器、重设电路和模拟数字转换器，提供一个完整而灵活的单芯片解决方案。此闪存组件的电路内可程序化功能也允许在生产时执行颜色校准过程，从而为补偿各种发光器的性能差异和组件之间的差异提供了一种方法。
LED使用寿命虽长　却易产生色度漂移
图1中的解决方案有许多应用，如应用在要求每个模块的颜色输出与邻近模块的颜色相匹配的汽车仪表板照明中。越来越多称为情境照明的应用也陆续出现，当然，也存在一些明显的缺陷。

图1　简单的白光LED系统范例
首先，此解决方案的效率较低，因为它是一个线性解决方案，且每个发光器串联的限流电阻器会消耗一些功率。在应用的整个生命周期中还会出现更多的问题。
实际上，LED技术的主要优点之一在于极长的工作寿命，但这也导致了色度漂移的问题。LED在工作50，000小时或更久后，其光输出会逐渐下降到其标称值的70%。相较于白炽灯泡在使用1，500小时之后会突然报废的状况，其使用寿命确实很长。但不幸的是，在这50，000小时中白光LED的CCT会发生变化，随着荧光粉的老化而升温，趋近于蓝色。即使是RGB LED解决方案也会有类似的问题，随着三色发光器以不同的速度按照不同的曲线缓慢的老化，还是一样会产生CCT色度漂移。
通过使用微控制器的智能功能，可以设计出多种技术，以使用预测算法或通过实现死循环控制系统来对组件的老化进行补偿。许多制造商会采用对光颜色敏感的组件，当配合简单的PID算法使用时可以一次解决色度漂移问题，当然这样会增加解决方案的成本。因为变化是在数千个小时中极其缓慢地进行，所以毋须高计算性能，即使是最低成本的8位微控制器也可用于实现此控制机制。这种机制不但可以补偿LED的老化，还可以补偿驱动电路的老化，这个优点对于如此长的应用寿命时间而言是非常重要的。
温度管理为照明应用挑战
普通照明应用另一挑战为温度管理。如前述高功率LED在窄频谱范围（在可视光谱中）内向外产生电磁辐射时不会消耗多余的能量，但仍会附带产生热量。与白炽灯泡等光源的不同之处在于这种热量只能通过直接接触（传导）而不是辐射的方式传递。为了与白炽灯泡照明系统兼容，会在普通照明系统如配套设备的设计中强加一些重要的限制。换句话说，为给定额定功率的白炽灯泡设计的照明系统很难适应同等功率的LED灯，因为热传导路径可能非常有限。高热阻路径会使LED发光器迅速过热，从而破坏含磷材料（对于白色LED），并且很快会损坏LED接合点。
功率转换/控制为LED焦点
LED所有焦点都集中在获得最大发光效率（lm/W）上，因而驱动/控制电路的效率也必须受到同样的重视。LED是相对低电压组件（Vf～3-4伏特），与市电提供的高压110～220伏特完全不匹配。此外，为了工作在最佳的效率等级和维护光输出的恒定，须要精确控制LED的电流。只有开关电源能够提供这种转换所需的高效率。
使用多个恒流驱动拓扑来执行所需的功率转换，隔离、功率因子校正和/或仅改进现有解决方案可能都须要使用两级处理。输入电压首先降低到中间电压，在此级使用传统技术满足功率因素校正（PFC）和高电压隔离要求，而第二级负责满足LED电流和温度控制要求。图2显示一个智能LED解决方案，它在恒流配置中采用升压转换器MCP1630。一个小型的8位微控制器可提供灵活的时钟源、可程序化电流设定点（为了使驱动电路符合不同的LED模块规范）以便进一步节省功耗的调光功能，还提供使用远程温度传感器（整合的温度传感器如MCP9700或热敏电阻）进行的死循环温度控制。

图2　智慧LED解决方案示意图
MCP1630像许多开关电源控制器一样，已提供了过温检测功能。但是，由于驱动电路的温度和实际LED模块的温度有很大的差异，MCP1630的过温检测功能与死循环温度控制功能可以相互补充。基于微控制器的智能解决方案可提供很大的灵活性，向LED模块输出的功率随着其温度逼近临界阈值而逐步降低，直到达到平衡，而不是突然关闭系统或仅发出警报。这种功能对于组件制造商非常重要，特别是在LED灯独立于照明系统单独设计和商业运作而且无法保证系统温度设计正确的情况下。
也许采用智能驱动设计，亦即使用小型微控制器监控LED驱动电路的最大优点是使解决方案具有更多的智能和功能仅须添加几行程序代码。利用微控制器内置的串行通讯接口实现简单的数字协议，如DMX-512或DALI，使通讯接口易于实现。可使用以太网络实现更高级的系统整合，或利用ZigBee协议实现无线通讯。
而且，在连接每个照明点之后，可设计一个全新的能量管理系统通过节能策略，采用更加整体的方法进一步提高整个家庭或办公楼系统的效率。
在通常的情况下，如果新型固态照明，特别是功率LED解决方案要在普通照明中产生影响并实现潜能，最好是智能解决方案--采用价格低廉的微控制器实现的小型智慧，再加入到照明方案后可扫除阻碍先前技术引入的许多障碍。智能解决方案有助于校准颜色、调光、管理热量和通讯，从而使得固态照明成为当今普通照明中与高效节能理念相符的高性价比替代方案。

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