如何善用感测器技术保证LED照明的环保优势 - 全文

　　发光二极管（LED）照明正成为产业的首选技术，尤其是在恶劣环境条件的场合，LED解决方案是耐用且从不会完全失效，然其光量确实会随时间而减弱。採用自动调光测量LED光输出，同时调整电源，可有效地在灯泡的整个使用寿命期间保持恆定的光输出。如此可在不同的製作方式下保持稳定的亮度，且大大延长灯泡的使用寿命，本文将阐述如何使用各种感测器技术运作且适用于街道、办公室和工厂的照明的电路範例。

　　系统层级的生态设计须面面俱到

　　就生态设计（Ecodesign）而言，对于特定的应用，延长使用寿命永远是人们所希望的，因为它与生态衝击（Ecological Impact）直接相关。此不像想像的那么容易，因为创新永不停止，新标準和新应用的可能性须被纳入考量，且须要实现新功能。重要的是不要仅执行最低标準，还要建立预载有各种新功能、同时能带来一定弹性的更佳产品。美国太空总署的「火星漫游车（Mars Rover）」就是一个很好的例子，大量的技术支援帮助这项计画的导入，并使计画启动时间大幅提前。

　　除了弹性之外，让LED具有如此长寿命的可能性亦至关重要，对此，有叁类影响须要考虑：快速变化的影响（如接通电流）、缓慢变化的影响（如漂移）及外部影响。

　　对于所有应用而言，导通电流是一种重要的应力。电源中的大型匯流排电容正是有可能造成此种应力的主因。此外，开启电源时的不明确状态可能给应用带来应力。为避免这些状况，应该在整个设计阶段使用失效模式与影响分析（FMEA）来对电路效能进行仔细的分析。在完成的应用设计中，还须要检验导通和关断过程中的电流和温度，在设计阶段，可能因此两点未被注意，结果往往导致在后期造成现场故障。

　　图1显示由导通电流引起的某电源输入桥式整流器的温度变化，此时虽然其他元件处于冷状态，但整流器的温度却明显升高，可能影响产品使用寿命。许多二、叁十年前开发的应用採用能避免漂移所引发故障的电路技术，由于后来使用的众多元件具有较大的公差水平和更大的漂移，所以开发对元件特性依赖较少的电路。为延长一项应用产品的使用寿命，许多这类技术不在现今生态设计的考虑之列，如此便增加电路设计的复杂性，使得元件数目增加。电子线路的环保影响通常低于工作能耗所引起的影响，所延长的使用寿命可弥补增加的复杂性。

　　

　　图1 导通电流引起的电源输入桥式整流器温度变化

　　功率电子是所有应用和产品的一个重要部分，尤其是在生态设计的考虑之中，因为子系统透过效率等特性影响到环保效能，如较低的效率意味着应用产品须採用较大的散热片，从而在生产和应用过程中消耗更多能量，并须使用更多的能量进行运输和回收。因此，建议设计人员能够考虑到最高效率和较大的输入电压範围的运用，以便减少元件的数量，获得最大的灵活性，因为此部分日后无法进行更动，如利用软体修改。

　　在照明应用中，使用LED解决方案是大势所趋。除具有更高的效率之外，LED本身亦具有很长的使用寿命，LED驱动电子装置在设计上应该尽量利用LED的长效使用寿命。图2为此种照明方案的示意图。

　　

　　图2 LED照明方案示意图

　　路灯照明是这类照明方案的一个特殊实例，没有任何其他照明应用结合多元化的要求，如温度、湿度、振动等不断变化的环境因素，以及高效率、高可靠性和低耗电量需求，都在照明解决方案的考虑因素之内，同时亦要考虑大量生产和承受相对应的价格压力。随着灯泡功耗的变化，温度会从-40℃变为85℃，导致温度大幅上升。重点是必须注意到，每个（每日）导通週期会引发一次温度週期，此意味着在系统层面上，5年中灯泡会有接近两千次温度週期，为系统带来很大的应力。

　　由于路灯照明的成本是城镇预算的一个重要部分，人们特别关注高效率的能力，以期帮助降低路灯的运作成本。目标是使用最少的电能来提供街道或人行道所需足够的亮度，这当中还不包括后续的维护成本，若使用寿命较短的灯泡，其维护成本也会更加可观。粗略估计一定人口使用路灯数量的方法，是按照每六个居民一盏路灯的比例来计算，按照这样的比例，德国大约有一千叁百叁十万盏路灯，节能潜力非常惊人。因此，许多城市和社区转而使用这些新型LED照明方案也就不足为奇，部分更换整个灯泡，或者更换灯头。

　　路灯预防性维护至关重要

　　面对上述种种要求，这样的电源设计相当复杂，但并不是不可能。图3的左侧是输入滤波器和桥式整流器的範例，后面跟着一个特殊的电路，其中回馈电路使用一个边界导通模式（BCM）-功率因数校正（PFC）-控制器。通常，电源週期内开关频率要发生变化，以保持输出电压的恆定。此处，使用振盪器（内有Q102的电路）维持恆定的开关频率，从而在整个电源週期内维持一种恆定的工作週期，此可改变工作週期（虽然以极低的速度），以便调整输出电流。因为LED不是动态负载，所以不会产生问题，藉由这种改变，输入电流将与输入电压对应，转换器将恆定工作于不连续导电模式（DCM），获得极佳的功率因数。

　　

　　图3 路灯电源设计架构

　　图4显示整个电源週期内初级侧（黑色）和次级侧（灰色）的电流。很明显，电流的峰值呈正弦形曲线，此使其能在使用小输入电容时，仍获得好的功率因数和低传导辐射。

　　

　　图4 电源週期内初级侧与次级侧的电流

　　该电路能够在不使用额外PFC电路的情况下获得好的功率因数。缺点是在双倍线路频率下，次级侧的涟波电流很大，但对于LED照明而言，此并不足以担忧，因为肉眼无法察觉高达100Hz的闪烁频率。

　　在次级侧，利用一个电路将输出电流（用分流电阻测量）转换成初级侧调节器的回馈讯号，以获得驱动LED的电流输出。在这裡对平均输出电流进行调节，是因为回馈迴路必须缓慢，以便在输入端获得好的功率因数。另一个优点是使用金属箔电容作为输入电容，其小尺寸符合缩小空间方面的要求，并显着延长LED寿命。

　　LED灯的寿命也经由LED的亮度漂移决定，如欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）的LED产品Golden Dragon Plus平均寿命为45，000小时（焊接条件下，温度85℃，以0.7安培电流连续工作）。其可分成四阶段，第一阶段是能够上下相对快速漂移的阶段，接下来是反射器老化阶段，然后是LED仅有一点漂移的较长阶段，最后是灯寿命漂移真正终止的阶段，在这个阶段中，亮度持续降低。

　　LED的失效不会是突发式灾难，但在到达额定寿命期时，其亮度会下降至70%。灯将随时间的推移持续变暗。在某些应用中，这并不是问题，但对于其他一些有标準和规範要求亮度恆定的应用中，此种情况是不能被接受的。与使用高压钠灯的普通路灯相比，LED灯相对更加耐用，并具有更长的寿命。不过仍有进一步提升的可能性。为延长寿命，并减低设计对环境的影响，可使用亮度感测器来调节亮度，并在寿命期内获得恆定的发光度。

　　图5为用于高功率LED调光的次级侧恆流控制电路的範例。为在不改变颜色情况下改变LED的亮度，使用脉宽调变方案，其在电路的输入端加入一个方波讯号。当电压高于1伏特时，调节器不作用，LED串内没有电流流过；电压很低时，IC的输入节点会承担分流电阻反映出的电压，有效的接通电流控制，并使LED串在此种恆定电流下工作。这将产生恆流脉衝，紧接着是暂停，即无电流流过，如此将会在不改变颜色的情况下调节LED亮度。结合上面的PFC返驰式电路，重要的是对这种不会随线路频率产生可见节拍频率的脉衝宽度调变（PWM）讯号使用一种调变频率。

　　

　　图5 高功率LED调光的次级侧恆流控制电路

　　製作亮度感测器的方法多元，如可使用光电晶体或光敏二极管，但皆需部分类比电路，以便使其讯号适用于调节；还有一种众多商用亮度感测器均使用的标準化类比介面，其控制电压範围为010伏特。在杂讯较大的环境中，讯号也能随电流迴路传送，如以020毫安培电流工作，另外，在感测器或者感测器阵列与中央控制器相结合之处可使用数位介面来进行亮度调节，甚至达到备援作用，如可对部分出现故障的灯进行补偿。此点尤其有利于不便更换灯的环境，如在半导体生产厂内。

　　利用这样的中央控制器和灯，调节和接通操作不会对灯的寿命产生负面影响，尚能提供更多的功能，如根据用户在场与否进行调节、环境光调节、遥控（透过电话或简讯）开灯关灯等。

　　在早期，LED照明解决方案的输出光度低，可靠性也较差，这些缺点阻碍其普及，然随后这些问题逐渐被克服，LED照明解决方案获得更广泛的应用。现在，随着控制电路和应用的不断开发，LED的长效寿命特性开始大放异彩，它的生态环保优势也被充分的显现出来。