基于層級化的LED智能控制分析及策略研究

劉紅平

摘 要：文章針對LED老式照明控制節(jié)能效果低下、控制方法簡單、層級化低、擴(kuò)展性能不夠等問題，通過探索LED發(fā)光、伏安特性，分析基于恒定導(dǎo)通時間控制的LED驅(qū)動電源的模塊電路，建立具多路驅(qū)動能力的串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動電源理論模型，構(gòu)建LED恒流驅(qū)動電源原型機(jī)和PWM調(diào)光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計算模型，擬開發(fā)出LED多模式層級化照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多種照明模式控制。

關(guān)鍵詞：LED;模塊電路;驅(qū)動電源理論模型;定量計算模型

0? ? 引言

LED電源驅(qū)動研究與老式照明燈不同，LED是低壓直流驅(qū)動，單個LED驅(qū)動電壓較低，實際使用中采用多個LED串聯(lián)或者組成陣列工作，每個LED陣列需要經(jīng)過相應(yīng)的變換電路才能接入220 V的交流電網(wǎng)，并且不同用途的LED，需要配備不同的工作電壓。LED驅(qū)動電源需要解決的技術(shù)難題：驅(qū)動電路整體壽命不長，大多采用容量較大的電解電容，高溫狀態(tài)下電源壽命低;轉(zhuǎn)換效率不高，損耗的能量被轉(zhuǎn)化為熱量耗散，LED長期高溫工作下器件性能變化，產(chǎn)生光衰，導(dǎo)致LED節(jié)能效果不佳;控制簡單、性能穩(wěn)定的LED調(diào)光技術(shù)不太成熟。

LED電源的品質(zhì)制約了LED產(chǎn)品的可靠性，生產(chǎn)驅(qū)動芯片的國外企業(yè)只致力研發(fā)控制簡單、特性好的芯片，僅滿足提高恒流穩(wěn)定性和調(diào)光簡便性;驅(qū)動電源生產(chǎn)商僅致力研發(fā)轉(zhuǎn)換效率高、無電解電容的驅(qū)動電源;燈具生產(chǎn)商僅致力使用散熱性能較好的材料。以上成品只應(yīng)用在小功率級別，長期效益不夠顯著[1]。

1 LED智能控制的創(chuàng)設(shè)與發(fā)展

LED光源以高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)勢逐漸走入人們的視野，近年來成為道路照明的最佳選擇。我國現(xiàn)有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但多采用普通LED陣列作發(fā)光體，所需LED數(shù)量多、光衰強(qiáng)，安裝維護(hù)成本高。在LED路燈應(yīng)用示范過程中發(fā)現(xiàn)，因其驅(qū)動電源問題經(jīng)常導(dǎo)致亮度不均勻、光衰、整體壽命不高等問題，其應(yīng)用效果沒有達(dá)到人們的預(yù)期。延長LED的使用壽命和發(fā)揮出其在照明、節(jié)約能源方面的優(yōu)勢，必然需要與LED負(fù)載相匹配的驅(qū)動方式和調(diào)光系統(tǒng)。特別對于隧道、橋梁等特殊路段，LED路燈運行的環(huán)境差別較大，其照明系統(tǒng)不僅要考慮安裝、節(jié)能等問題，還要考慮安全事故的問題和方便進(jìn)行設(shè)備故障維護(hù)等需求。LED照明的光衰、散熱問題，特別是LED驅(qū)動電源的滯后研究，深深制約LED節(jié)能效果的發(fā)揮[2]。

老式的LED照明控制系統(tǒng)主要為手動控制和時間控制，它過多依賴控制者，控制相對分散，實時性和智能化較低。光源大部分時間為工作狀態(tài)，甚至無人時開啟;控制僅能實現(xiàn)過壓、過流保護(hù)，過溫保護(hù)不夠突出。老式的LED照明控制系統(tǒng)浪費大量人力、物力，管理上相對混亂[3]。

智能照明控制系統(tǒng)是指以計算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合通信、自動化等相關(guān)學(xué)科，對LED照明進(jìn)行自動控制，在提供合適光環(huán)境的同時，降低對電能的消耗以及成本費用或安裝費用[4]。

2 LED智能控制的整體分析

（1）本文主要分析LED照明控制在應(yīng)用中存在的技術(shù)問題，對LED多模式層級化智能照明控制需求進(jìn)行分析，針對LED特性，結(jié)合自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)等，設(shè)計LED智能照明控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)及主要功能，研制LED多模式層級化智能照明控制系統(tǒng)。監(jiān)控中心能夠?qū)ED燈實現(xiàn)多種照明模式的遠(yuǎn)程控制，實時監(jiān)測LED燈工作狀態(tài)、環(huán)境照度;實時控制LED的亮度;出現(xiàn)異常，能通知用戶及時維修。整個控制系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)節(jié)能效率低下、控制方法單一、智能化低、可靠性低、擴(kuò)展性差等問題[5]。

（2）LED照明調(diào)光方式有：線性調(diào)光、PWM調(diào)光、可控硅調(diào)光。線性調(diào)光通過線性調(diào)節(jié)采樣電壓值，改變LED的電流值，此方式穩(wěn)定性不好，抗干擾能力不強(qiáng)，頻繁閃爍;PWM調(diào)光通過調(diào)節(jié)改變 PWM輸入脈沖信號的占空比來改變LED電流，它解決了線性調(diào)光的顏色不穩(wěn)定性，卻需要 PWM信號源;可控硅調(diào)光根據(jù)控制信號來改變LED電流，但存在誤導(dǎo)通、操作不穩(wěn)等問題。調(diào)光與發(fā)光顏色、光輸出、發(fā)光效率密切相關(guān)，同時LED驅(qū)動電源、架構(gòu)方式和已有的基礎(chǔ)設(shè)施等因素對LED調(diào)光控制性能有很大的影響。調(diào)光方式的選擇必須綜合考慮[6]。

LED照明控制通信方式有：現(xiàn)場總線通信、電力載波通信和無線通信等?，F(xiàn)場總線通信安裝方法簡單，但布線麻煩，維護(hù)成本高且受環(huán)境約束，可擴(kuò)展性較差，數(shù)據(jù)信號不便于遠(yuǎn)距離傳輸;電力載波通信不需搭設(shè)通信線路，運行成本低，但抗干擾能力差，可靠性不穩(wěn);無線通信無須架設(shè)通信線路，抗干擾性強(qiáng)，可靠性很高，應(yīng)用廣泛，主要用于無線遠(yuǎn)距離傳輸，但應(yīng)用到獨立LED燈調(diào)光的成本高，不能檢測和報告故障。針對LED照明控制系統(tǒng)，電力載波和無線網(wǎng)絡(luò)是適合的通信方式，電力載波通信便宜，無線網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)，具體方式的選擇需要依據(jù)要求和成本才能確定[7]。

（3）隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人們對智能照明的需求不斷提高，不僅要提供適宜的環(huán)境亮度外，還需要提供優(yōu)雅舒適的氛圍。用戶要求控制方式靈活方便，可按需配置;施工方要求系統(tǒng)安裝簡單、維護(hù)方便;設(shè)計方要求系統(tǒng)能提供滿足用戶多樣性要求。以此，傳統(tǒng)的機(jī)械控制進(jìn)化成目前的結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)。以LED作為光源，將其調(diào)光特性與電子技術(shù)、傳感技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合，脫離單一開關(guān)控制的管理系統(tǒng)，邁進(jìn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，滿足控制系統(tǒng)功能豐富、控制靈活、管理維護(hù)方便科學(xué)，真正做到按需照明、實現(xiàn)最大化的節(jié)能，是LED智能照明控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

3 LED智能控制的實施策略

3.1 研究方法

（1）理論推導(dǎo)：利用LED發(fā)光原理、電磁學(xué)原理、電力電子技術(shù)等理論，推導(dǎo)出具有多路驅(qū)動能力的無電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動電源;通過分析PWM調(diào)光技術(shù)下的幾何、光度、色度與電力約束條件，建立PWM調(diào)光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計算模型。

（2）計算機(jī)仿真：在理論推導(dǎo)、分析的基礎(chǔ)上建立驅(qū)動電源模型和PWM調(diào)光計算模型，利用Cadence，Saber軟件進(jìn)行計算機(jī)仿真，確定驅(qū)動電源的各種量化指標(biāo)，針對驅(qū)動模塊紋波、穩(wěn)定性和效率問題，調(diào)整部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修改;仿真PWM恒流調(diào)光電路，高低壓分別模擬設(shè)計，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

（3）實驗研究：利用計算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行LED驅(qū)動電源、調(diào)光模塊和智能控制系統(tǒng)主站實驗，并通過實驗確定理論分析外的其他干擾因素，確定最優(yōu)解。

3.2 擬解決的關(guān)鍵問題

（1）LED驅(qū)動電源必須具備功率因數(shù)校正和恒流驅(qū)動兩大功能。無論是有源或無源功率因數(shù)校正，一般采用大容量電解電容輸入輸出瞬時功率之間的差值，但在額定工作條件下電解電容的壽命僅有幾千小時，這與LED的理論壽命（10萬小時）不匹配。根據(jù)LED的簡化等效模型，本文提出一種具有多路驅(qū)動能力的無電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動電源。

（2）LED常用的調(diào)光方法有線性調(diào)光和PWM調(diào)光。線性調(diào)光為線性調(diào)節(jié)LED電流，PWM調(diào)光是通過使用開關(guān)電路改變光輸出的平均值，使光度量相應(yīng)地線性改變而色度量保持恒定。本文釆用一種滑膜變結(jié)構(gòu)的PWM調(diào)光技術(shù)，在調(diào)光頻率內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流，分低壓和高壓進(jìn)行設(shè)計。

（3）沖突LED控制采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法進(jìn)行傳輸。單向信息傳輸?shù)托?，不能進(jìn)行大批量的信息傳輸控制，無法實現(xiàn)實時監(jiān)控。本文設(shè)計分級分層次LED智能照明控制系統(tǒng)通信鏈路，以滿足系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、及時的通信技術(shù)需要[8]。

4 LED智能控制的特色與創(chuàng)新;

（1）針對LED照明技術(shù)上存在的各類技術(shù)難題，提出應(yīng)用LED多種模式、分層分級控制，將LED電源技術(shù)、調(diào)光技術(shù)、通信方式、管理平臺集合到一起，通過整個系統(tǒng)的優(yōu)勢來解決各環(huán)節(jié)上的問題。

（2）針對LED驅(qū)動電源的驅(qū)動電路壽命不長、多采用容量較大的電解電容、轉(zhuǎn)換效率不高、器件老化、光衰等技術(shù)難題，本文提出采用具有多路驅(qū)動能力的無電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動電源，實現(xiàn)電源的安全可靠運行。

（3）針對LED調(diào)光技術(shù)中存在的顏色穩(wěn)定性不好、抗干擾能力較差、操作不穩(wěn)定、閃爍不定等問題，釆用滑膜變結(jié)構(gòu)的PWM調(diào)光技術(shù)，可在極寬的調(diào)光頻率內(nèi)對輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)具有魯棒性。

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（編輯 王永超）