电子技术在LED照明中通用照明和智能控制的应用 2011-05-19 22:42:20来源:EDN
与传统的照明方式相比，led照明有许多独特的地方，主要表现在：从结构上看，传统照明的光源和灯具是分离的，而LED照明在结构可以实现配光、散热及灯具的一体化设计；从功能上看，只有少部分的传统照明可以实现调光，而LED照明不仅能实现亮度的调节，还能实现色彩与色温的调节。此外，LED照明比传统照明方式更适合智能化与数字化的控制，组成复杂的照明系统。

　　基于LED照明的这些特性，大体可以给出了三种模型，分别针对LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明与太阳能风能的结合设计，说明电子信息技术在LED照明中一些应用。

　　模型一：电源+光源

　　现代电光源的工作本质就是将电能转化为光能，同时伴随一定的散热。所以，LED的通用照明模型中就只包括电源和光源两部分。在这种模型下，只能实现照明的开关控制，不能实现照明的调光、通信、反馈等功能。

　　电源具体是指AC-DC恒流型开关电源。AC-DC是指交流到直流的转换，因为LED实际上是一个半导体二极管，它是在直流电压下工作的。LED还有一个特性就是其工作电流近似值是工作电压的指数函数，电压的微小波动就会引起电流的巨大变化，严重时会直接烧毁LED,所以要保证LED的安全工作，必须使其工作电流恒定。通常家用电器的电源都是恒压的，LED的特性决定了它要采用恒流电源。为了提高LED工作的可靠性，我们一般要采用隔离型的开关电源，实现LED与市电电网的有效隔离。和开关电源相对应的，还有一类叫线性电源，现在已经很少使用了，因为开关电源在效率和体积上更占优势。现在的开关电源技术，能将转换效率做到85%甚至更高，功率因数0.95以上，总谐波在15%以内。这些指标也是我们选择开关电源的基本要求。

　　光源就是LED芯片，这是LED照明的核心元件。除了工作电流、管压降等电学参数外，我们更关心的是它的光学指标，如光通量、光效、色温、显色指数、光衰等等。LED的光学性能与其温度密切相关，温度的升高会引起光效降低、色温漂移、寿命下降等问题，因此散热技术在LED照明中尤为重要。热力学知识告诉我们，物体的散热只有三种方式：传导、对流和辐射。由于LED芯片只是固定的发出某种波长的可见光，所以不存在红外辐射散热。在LED中，主要是传导散热，同时伴随一定的对流散热。减少LED的热传导环节和降低每个环节的热阻，必要时采用强制风冷，都是散热设计中的考虑因素。

　　模型二：电源+控制+光源

　　模型二比模型一多了一个控制模块，这就大大丰富了LED照明的功能。如果说模型一只是一个照明产品，那么模型二可以说是一个照明系统了。由于加入了控制模块，电源就变成恒压型开关电源了，但是LED光源的工作还是需要恒流型电源，这部分（恒流驱动）我们放在控制模块中一起实现了。下面，我们重点分析一下LED照明的控制系统。

　　LED照明的控制系统，可大可小，功能丰富。如：无线遥控调光系统、色温可调照明系统、RGB调光调色系统、模拟日光照明系统、带DALI协议的智能照明系统、基于ZigBee和GPRS的无线路灯控制系统等。透过现象看本质，所有这些照明控制系统，都是利用电子技术领域中的嵌入式技术、通信技术、传感器技术、计算机技术以及电力电子技术等发展建立起来的。看似纷繁复杂化，其实有据可循。

　　为了理清脉络，我们可以将LED照明控制系统分为8个层次，逐层阐述。如果我们能够把每个层次的技术方案做好，那么任何复杂的控制系统我们都可以像“搭积木”一样，轻松的实现。

　　LED照明控制系统的8个层次由底向上依次为：供电层、驱动层、光层、感器层、议层、信层、作层、统实现层。

　　供电层

　　供电层为整个控制系统提供高效稳定的直流电源。与LED光源工作需要的恒流电源不同，控制系统的工作需要的是恒压电源。供电层的电源获得有两个途径：一是从LED照明灯具上的恒压电源上获取，这是一个DC-DC（直流到直流）转换，因为灯具上的恒压电源的电压通常很高，而控制系统的电压很低，所以要做一个从直流到直流的降压转换；二是从交流市电获取，这是一个AC-DC（交流到直流）转换，为了安全，通常也要做成隔离型的开关电源，因为控制系统的功耗通常很低，所以这里的恒压电源对转换效率的要求就不是很高。

　　驱动层

　　前面提到，模型二中电源部分是恒压源，而LED光源的工作需要恒流源，因此，在控制系统中要有一个恒流驱动模块，为LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驱动的设计上，一般是采用专用的驱动芯片，并配合一定的外围电路。

　　驱动芯片的输出端通常是带有一串LED,输出的恒定电流就是LED的工作电流。输出的电压范围越高，可带的LED数量就越多。也有例外的情况，输出端要并联多串LED,这时，我们要给每串LED串联一个小电阻来实现电流的分流。驱动芯片一般还有一个PWM（脉冲宽度调制）的端口，用于实现调光控制，这是实现智能照明的基础。恒流驱动方案的优劣，直接关系到LED照明的可靠性和使用寿命。因此，对LED驱动技术的研究，尤为重要。