基于PoE的LED照明系统的解决方案

新建筑的建造为建筑师提供了接受新技术的机会，以减少现场的碳足迹。固态照明（SSL）的高效率和长寿命使其成为环保项目照明的首选。例如，消费电子巨头苹果公司已经为所有正在进行建设或重大改造的设施制定了LED照明标准。

然而，将SSL安装到现有建筑物会带来一些挑战。传统的白炽灯泡或荧光灯管直接来自交流电源。相比之下，LED需要低压，恒流直流电源，因此将SSL连接到传统接线需要使用称为LED驱动器的专用电源。这些LED驱动器增加了成本，占用空间并产生热量。

但是，最近一种替代方案 - 特别适用于现代办公环境并且可以显着降低改造SSL的成本 - 已经脱颖而出：以太网供电（PoE）。 PoE允许局域网（LAN）的布线将数据和电力传输到连接的设备。本文介绍了基于PoE的LED照明基础设施优于其他布线系统的优势，并介绍了设计人员如何利用最新一代宽电压输入，恒流LED驱动器实施PoE SSL解决方案。

改装LED

典型的办公环境主要是荧光灯的稳定冷白光。虽然荧光灯管具有合理的效率，平均为60至100流明/瓦，但其电气性能已被最新一代LED灯黯然失色。甚至像Luminus Devices的MP-3030系列这样的“中功率”LED也具有122 lm/W（3 V和150 mA）的功效。 Cree'sXLamp XP-L系列的大功率器件（价格稍贵）可以输出超过150 lm/W（2.95 V和1.05 A）。

LED的使用寿命更长比荧光灯管。在正常使用中，办公室经理可能会合理地期望荧光灯管可以持续使用大约10,000小时 - LED常常发光五倍;由于灯中使用的汞，荧光灯管确实带来了一些环境问题。汞的含量很少，但这种重金属的健康影响是累积的，因此需要谨慎处理。 LED不会出现这种有毒金属问题。苹果等公司热衷于转而采用SSL来照亮其运营，这也许不足为奇了。

荧光灯管采用交流电源供电（某些电子管可以使用直流电源供电，但这是不同的是，电流从400 mA到1.5 A.相反，LED采用恒流，低直流电压供电。当然，操作特性因制造商而异，但通常LED需要2.8至3.5 V的电压和150 mA至2 A的电流。例如Lumileds LUXEON TX等流行的高亮度LED的操作要求，正向电压为2.8 V，电流为700 mA至1.5 A. LED驱动器提供解决方案。

除了电压调节，LED驱动器还可以将控制信号解释为暗淡并改变颜色发出的光。这些器件有恒压或恒流两种类型。恒流驱动器支持脉冲宽度调制（PWM）和恒定电流降低方法，用于在调暗LED时调节输出电流。例如，Richtek最近推出了RT8471 LED驱动器。该产品是一款连续模式降压（“降压”）稳压器，设计用于驱动7至36 V电源的单个或多个LED。通过模拟或PWM输入信号的PWM调光实现LED亮度控制。输出电流高达1.2 A.

设计人员根据应用要求将LED驱动器与LED匹配，包括要供电的LED数量，供电类型和功能等因素LED的特性。

一些LED制造商提供“AC LED”，它可以直接拧入传统灯泡腾出的插座中。 LED仍然必须由低压直流电源驱动，照明制造商通过将整流器和LED驱动器集成到灯具中来解决问题，同时降低了单元的价格。

PoE提供了一种从传统布线为SSL供电的低成本替代方案。许多办公室已经使用PoE系统来连接VoIP电话，无线接入点，调制解调器和其他建筑服务，例如安全摄像头和运动传感器，并且将LED照明添加到这样的网络中相对简单且便宜。第二个主要优势是以太网网络的信息承载能力赋予SSL一定程度的智能，而无需采用“智能”照明通常所需的复杂无线技术。

什么是POE ？

首先出现的PoE是对互联网协议语音（VoIP）电话供电问题的回答。 2000年，电信设备供应商思科推出了允许以太网电缆承载48 VDC电源以支持VoIP电话的技术。

到2003年6月，IEEE以太网小组委员会批准了IEEE 802.3af PoE标准。 2009年，第二个标准IEEE 802.3at被批准，它定义了一种可以处理更多功率的类似技术。 IEEE 802.3af详细介绍了一种PoE技术，旨在为每个设备提供高达15.4 W的直流电源（最低44 VDC和350 mA）。 （由于电缆损耗，设备只能提供12.95 W的功率。）该技术使用单个标准RJ45连接器和CAT 5（甚至CAT 3）电缆，可处理数十瓦（图1）。

图1：PoE使用标准RJ45连接器和CAT 5电缆。

可以传输电源在以太网电缆的未使用导体上，因为典型的10到100 Mbps以太网物理层只需要CAT 5电缆中的四对中的两对。通过向每对应用共模电压，也可以在电缆的数据导体上传输功率 - 由于以太网技术的差分信号，这不会干扰电缆的数据传输。

IEEE 802.3af定义了两种类型的PoE设备，即供电设备（PSE）和受电设备（PD）。 PSE从其自身的传统电源获取电力，然后管理通过以太网电缆网络发送到PD的电力，PD通过RJ45连接器获取所需的电力，而无需内置电源。 PoE能够通过长达数十米的典型以太网电缆为PD供电。

图2：PoE端点电源插入实现。 （由Maxim Integrated提供）

PoE增加情报

SSL是“智能家居”的关键组成部分 - 这是一个网络服务和设备可以自动完成许多日常任务的住所。通过将灯连接到强大的计算设备（如专有控制器，智能手机，平板电脑和PC），SSL系统可以“未来验证”，并能够利用物联网（IoT）的新兴功能。将SSL连接到现有的PoE局域网（LAN）可以为系统增加智能，而无需增加无线连接的复杂性和费用。

在PoE配置中，每个SSL实际上都是标准的RJ45连接器“插头并播放具有自己的Internet协议（IP）地址的设备。该即插即用设备还可以包含传感器（例如，用于检测环境光水平并相应地调整光的输出），甚至还有其他功能，例如充当无线接入点。 PoE连接使每个SSL能够发送有关本地环境的实时信息，例如，可以更精确地调整温度和湿度（图3）。

图3：PoE连接的LED灯可以包含将数据发送回中央控制器的传感器。 （由Maxim提供）

与传统供电的照明相比，PoE连接的SSL还具有操作优势，特别是在紧急情况下。例如，在紧急情况下，灯可以照亮建筑物外的安全路线或通过改变颜色来指示危险区域。

Maxim Integrated已经编写了一份应用说明 [3] ，它描述了与传统的基础设施供电系统相比，PoE连接LED的优势。

符合PoE标准的LED驱动器

从照明设计师的角度来看，PoE连接SSL的关键优势在于降低了LED灯电源的复杂性。这使得LED产品更容易设计，更便宜，更紧凑，同时也减轻了热管理挑战。

连接到PoE插座的LED灯充当PD，从网络吸取干净，可调节的直流电源需要一个主功率调节级来从AC转换为DC并降低电源电压。然而，PoE（标称）44 VDC电源不适合直接为LED供电，因为它们需要精心控制的恒流恒压源。

有许多DC-DC LED驱动器适用于调节PoE电源。一些制造商甚至声称他们的设备符合“符合PoE标准”，而其他制造商则没有提及合规性，即使他们的设备可以安全地用于PD。 “兼容”LED驱动器基本上可以接受PoE工作范围内的输入电压（标称44 VDC，但通常在37-57 V范围内）。但是，有一些规则将PD的合规性作为一个完整的单元。例如，除了标准化备用对和共模数据对电力传输的现有实践之外，PoE标准还提供PSE和PD之间的信令。该信令允许PSE检测符合设备，避免损坏连接到网络的非PoE设备。为了检测PD，PSE在导体上施加2.8到10V之间的DC电压，并通过测量回路电流来确定是否连接了PD。 PD应提供19至27kΩ的电阻负载，并且120 nF或更小的并联电容作为“特征”。

Maxim Integrated的MAX16832是适用于PoE照明的LED驱动器。该器件具有6.5至65 V的宽电压输入范围（可轻松适应PoE的37-57 V输入范围），并提供高达1 A的恒定输出电流，精度为±3％。专用的PWM输入可在很宽的亮度范围内实现脉冲LED调光。 2 MHz开关鼓励使用更小的磁性元件。从45 V输入驱动串联驱动五个LED时，效率据称约为95％。当LED灯串的温度超过指定点时，模拟热折返功能可降低LED电流。图4显示了MAX16832的典型应用电路。

图4：Maxim MAX16832 LED驱动器的应用电路。

虽然该公司没有专门为PoE应用推广其降压LED驱动器，英飞凌的DEG6070芯片是符合PoE标准的产品电源的合适基础。 ILD6070设计用于驱动普通照明应用中的高功率LED，平均电流高达0.7 A，在输入电压范围内具有±3％的精度。芯片的输入范围为4.5至60 V，多功能PWM输入信号允许使用模拟DC电压或外部PWM信号对LED进行调光。一旦超过IC的可调结温阈值，集成的过温保护电路可降低LED电流。该公司表示，LED驱动器的效率可在很宽的范围内达到98％。

同样，德州仪器（TI）提供多种宽输入降压LED驱动器，适用于PoE连接的LED灯应用。一个很好的例子是LM3414HV，一种输入电压范围为4到65 V的恒流器件，能够以±3％的精度提供高达1 A的电流。据称效率高达96％。据称，该公司专有的脉冲电平调制（PLM）控制方法可确保高转换效率和真正的平均电流调节。

即插即用LED灯

已配备PoE LAN的办公设施，将SSL改造到网络提供了一种享受LED照明优势的廉价方式。由于基础设施已经到位，因此可以大大节省布线和专业人员的费用。不仅可以将灯插入RJ45连接器插座，而且网络的信息承载能力增加了智能，而无需增加费用和无线连接的复杂性。

对于改装LED灯的设计者，提供其产品的PoE版本是增加销售的有希望的途径。此外，由于该设计不需要相对低效的整流和初始电压降压阶段，因此可以使LED灯的电源更小，更简单，更便宜和更有效。许多芯片供应商提供一系列集成降压DC-DC LED驱动器，具有宽电压输入范围，适用于PoE连接LED灯的电源。但是，设计人员有责任确保其产品符合IEEE802.3at或af标准，然后才能作为“PoE投诉”产品销售。