【導讀】在智慧城市和工業(yè) 4.0 環(huán)境下，具有無(wú)線(xiàn)控制功能的 LED 照明系統的使用越來(lái)越廣泛，因為它帶來(lái)了諸多好處，包括降低能源成本（相應地減少碳排放）、照明水平可控，以及因 LED 燈具的更高可靠性和更長(cháng)使用壽命而降低維護成本。為了實(shí)現最佳效果，這些 LED 照明系統需要具有各種操作模式、傳感和保護功能的照明控制器，還需要高效率和 90 至 300 伏交流電 (VAC) 的寬工作電壓范圍，以及高功率因數 (PF) 和低總諧波失真 (THD)。
在智慧城市和工業(yè) 4.0 環(huán)境下，具有無(wú)線(xiàn)控制功能的 LED 照明系統的使用越來(lái)越廣泛，因為它帶來(lái)了諸多好處，包括降低能源成本（相應地減少碳排放）、照明水平可控，以及因 LED 燈具的更高可靠性和更長(cháng)使用壽命而降低維護成本。為了實(shí)現最佳效果，這些 LED 照明系統需要具有各種操作模式、傳感和保護功能的照明控制器，還需要高效率和 90 至 300 伏交流電 (VAC) 的寬工作電壓范圍，以及高功率因數 (PF) 和低總諧波失真 (THD)。此外，完整配置系統還需要微控制器 (MCU)、數據集中器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。從頭開(kāi)始設計無(wú)線(xiàn) LED 照明控制系統是一項多學(xué)科的任務(wù)，需要承擔很大的風(fēng)險，并可能延遲上市時(shí)間。
作為替代方法，設計人員可以使用預制的聯(lián)網(wǎng) LED 照明控制開(kāi)發(fā)平臺。這些平臺具有高能效、高 PF，以及全面的無(wú)線(xiàn)控制功能（開(kāi)/關(guān)、調光和其他模式）和多個(gè)獨立控制的 LED 通道，提供最大的設計靈活性。此類(lèi)平臺包括支持低功耗藍牙 (BLE)、Zigbee 和 6LoWPAN 等協(xié)議的無(wú)線(xiàn)通信模塊。此外，開(kāi)發(fā)環(huán)境也支持這些平臺，包括可定制固件、Free RTOS 和各種用例。
本文首先回顧了基本的 LED 操作和燈具結構，以及衡量 LED 和燈具能效的指標。然后討論了在智慧城市和工業(yè) 4.0 應用中使用分流器來(lái)最大限度提高燈具的可靠性和性能。最后，本文介紹了 STMicroelectronics 和 onsemi 的預制互聯(lián) LED 照明驅動(dòng)和控制開(kāi)發(fā)平臺及相關(guān)組件，以及設計和部署方面的考慮因素。
智能 LED 照明控制主要是控制每個(gè)燈串的 LED 之間的交互，以?xún)?yōu)化燈具性能。它還包含智能電源轉換，并擴展了功能以對多個(gè)燈具進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制，包括硬件和軟件，從而最大限度地提高街道照明和工業(yè)照明網(wǎng)絡(luò )的性能。
典型的 LED 燈具包括多個(gè)串聯(lián)在一個(gè)或多個(gè)燈串中的 LED。每個(gè) LED 的驅動(dòng)電壓約為 3.5 V。一個(gè)燈串通常包含 10 至 30 個(gè) LED，工作電壓為 40 至 100 V，電流約為 0.35 至 1.0 A，具體取決于各個(gè) LED 的亮度（圖 1）。
圖 1：用于智能燈具的兩串各 16 個(gè) LED 的燈串。（圖片來(lái)源：Onsemi）
光源的亮度以流明 (lm) 為單位，其衡量人眼的視亮度，并考慮到眼睛對各種波長(cháng)的可見(jiàn)光的敏感性。光源產(chǎn)生亮度的效率稱(chēng)為發(fā)光效率，測量單位為 lm/W。與其他常見(jiàn)的照明技術(shù)相比，LED 具有更高的發(fā)光效率。然而，并非所有 LED 都具有相同的發(fā)光效率，有些 LED 的發(fā)光效率明顯高于其他 LED。此外，如果用更大的電流驅動(dòng)，一個(gè)特定的 LED 可以產(chǎn)生更多的光。
LED 比其他照明技術(shù)更可靠，但它們并不完美。LED 可能會(huì )出現故障，特別是在高性能燈具中由大電流驅動(dòng)時(shí)，例如那些用于街道照明和工業(yè)照明的 LED。LED 故障可能是短路或開(kāi)路。如果燈串中的一個(gè) LED 發(fā)生短路故障，該 LED 會(huì )變黑，但燈串中的其余 LED 繼續工作。電流繼續流經(jīng)短路的 LED，使其加熱到可以成為開(kāi)路的程度，導致整個(gè)燈串變暗。
分流 LED
LED 燈具設計師面臨著(zhù)在更小的燈具中提供更高亮度的挑戰。這往往需要 LED 在較高的溫度下長(cháng)期運行，可能導致 LED 故障。尤其是預計工作壽命長(cháng)達 15 年的路燈燈具。旁路分流器有助于滿(mǎn)足對更高工作溫度和延長(cháng)壽命的矛盾要求。當一個(gè) LED 在開(kāi)路狀態(tài)下發(fā)生故障時(shí)，分流器會(huì )將該 LED 旁路，保持燈串正常運行，因此燈串不會(huì )變暗，只有發(fā)生故障的 LED 變暗（圖 2）。
圖 2：如果沒(méi)有旁路分流器，單個(gè) LED 的故障會(huì )導致整個(gè)燈串失效（左）。使用旁路分流器，只有故障的 LED 變暗，而燈串中的其余 LED 繼續工作（右）。（圖片來(lái)源：Onsemi）
根據燈具設計的需要，分流器可用于繞過(guò)一個(gè)或兩個(gè) LED（圖 3）。如果一個(gè) LED 發(fā)生故障，繞過(guò)每個(gè) LED 可實(shí)現最小的亮度下降，而繞過(guò)兩個(gè) LED 可以將分流器的數量減少一半，適用于對成本更敏感的解決方案。例如，onsemi 的 NUD4700SNT1G 可用于旁路燈串中的單個(gè) LED，如果 LED 恢復工作或被更換，該分流器將自動(dòng)復位。STMicroelectronics 的 LBP01-0810B 可以旁路 1 個(gè)或 2 個(gè)LED，提高了設計靈活性并減少了零件數量。LBP01-0810B 還提供針對浪涌的過(guò)壓保護，符合 IEC 61000-4-2 和 IEC 61000-4-5 標準。
圖 3：可用于旁路 1 個(gè)（左）或 2 個(gè)（右）LED 的 LED 分流器（虛線(xiàn)框內）可用。（圖片來(lái)源：Onsemi）
智能街道照明
智能街道照明系統的設計人員可以借助 STMicroelectronics 的 STEVAL-LLL006V1 板來(lái)評估大功率 LED 照明的選擇（圖 4）。集成的 HVLED001A LED 照明控制器包括各種工作模式、傳感和保護機制，并使用 STP21N90K5 MOSFET 構建了一個(gè)智能而高效的電源轉換器。該 LED 驅動(dòng)板使用 VIPER012LSTR 離線(xiàn)高壓轉換器 IC，提供 60 至 110 V 直流電輸出，恒定電流為 0.7 A。為滿(mǎn)足智能街道照明應用的需要，該驅動(dòng)器的輸入范圍為 90 至 300VAC，PF 值超過(guò) 0.97，THD 低于 15%。嵌入式 SPSGRFC 亞千兆赫 (GHz) 收發(fā)器模塊可用于接收開(kāi)、關(guān)和調光命令，并將其發(fā)送到集成的 STM32L071KZ 微控制器。該收發(fā)器支持五級模擬調光。
圖 4：STEVAL-LLL006V1 LED 照明開(kāi)發(fā)板是集電源管理和無(wú)線(xiàn)連接于一體的平臺的組成部分。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
開(kāi)發(fā)工具
為了加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程并突出 STEVAL-LLL006V1 評估板的功能，還提供了數據集中器單元 (DCU) 和 Android 移動(dòng)應用程序。DCU 是在 NUCLEO-F401RE 平臺上構建的集成評估環(huán)境。它包含一塊 X-NUCLEO-IDS01A4 板，用于與 STEVAL-LLL006V1 進(jìn)行亞千兆赫通信，還包含一塊 X-NUCLEO-IDB05A2 板，用于與移動(dòng)設備進(jìn)行藍牙通信。STMicroelectronics 還提供 6LoWPAN 智能街道照明移動(dòng)應用，可用于組建智能街道照明控制器網(wǎng)，并評估網(wǎng)絡(luò )功能。
工業(yè) LED 照明
互聯(lián)的工業(yè) LED 照明解決方案可以使用 onsemi 的 LIGHTING-1-GEVK 互聯(lián)照明平臺進(jìn)行原型設計。該開(kāi)發(fā)平臺具有無(wú)線(xiàn)控制功能，可選擇使用離線(xiàn) AC/DC 電源或可選以太網(wǎng)電源 (PoE)、LED 模塊和 LED 驅動(dòng)模塊，以及將所有模塊連接在一起的 BLE 連接模塊?？捎玫目刂七x項包括使用 onsemi 的 RSL10 Sense and Control 移動(dòng)應用或網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端。該開(kāi)發(fā)平臺包括 Free RTOS、帶有可定制固件的 CMSIS-Pack 和幾個(gè)用例，以開(kāi)始探索使用互聯(lián)工業(yè) LED 照明解決方案。
基礎的 LIGHTING-1-GEVK 套件包括一個(gè)雙 LED 驅動(dòng)器、帶有兩個(gè) LED 燈串的 LED 板、一個(gè) AC/DC 電源以及一個(gè) BLE 通信模塊（圖 5）。另有一個(gè) PoE 電源模塊，可提供高達 90 W 的電力。套件中各種板的一些關(guān)鍵規格包括：
· 雙 LED 驅動(dòng)器：包括兩個(gè) FL7760 LED 驅動(dòng)器，每個(gè)驅動(dòng)器提供高達 25 W 的功率，效率高達 96%；4,000 步調光，可調低至 0.6%；遙測數據，包括每個(gè) LED 驅動(dòng)器的電流和電壓測量；以及一個(gè)可插拔 MCU 模塊的接頭，支持無(wú)線(xiàn)連接。
· LED 板：雙獨立通道，每個(gè)通道有 16 個(gè) LED。一個(gè)通道的 LED 額定亮度為 121 lm，另一個(gè)通道的 LED 額定亮度為 95 lm，總可用亮度為 7,000 lm。
· AC/DC 電源：包括兩個(gè)帶 PFC 的 FL7740 初級側調節反激式控制器，在 90 至 270 VAC的輸入范圍內工作，在 55 V 時(shí)輸出 70 W 的電力，為 LED 驅動(dòng)板供電，PF 值超過(guò) 0.99，效率超過(guò) 91%。
· BLE 模塊：互聯(lián)照明平臺使用三種 BLE 服務(wù)；照明控制服務(wù)由連接的設備用于遠程讀取和更改 LED 的狀態(tài)；遙測服務(wù)由連接的設備用于監測 LED 驅動(dòng)器中的電壓和電流；PoE 供電服務(wù)提供關(guān)于 PoE 供電器對設備施加的 PoE 功率限制的信息。
圖 5：基礎開(kāi)發(fā)套件包括一個(gè)雙 LED 驅動(dòng)器、兩個(gè) LED 燈串、AC/DC 電源和一個(gè) BLE 連接模塊。（圖片來(lái)源：Onsemi）
擴展板
LIGHTING-1-GEVK 套件有兩塊擴展板，即 BLE-SWITCH001-GEVB 能量收集 BLE 開(kāi)關(guān)，以及 MULTI-SENSE-GEVB 多傳感器板（圖 6）。LED 的亮度可通過(guò) BLE 開(kāi)關(guān)控制。按住開(kāi)關(guān)時(shí)，亮度增加。松開(kāi)開(kāi)關(guān)或達到最大亮度時(shí)，光強度保持不變。再按一次開(kāi)關(guān)，亮度就會(huì )降低。多傳感器板支持包括環(huán)境光傳感器、環(huán)境傳感器和/或慣性運動(dòng)傳感器的系統原型開(kāi)發(fā)。
圖 6：LIGHTING-1-GEVK 套件有兩個(gè)擴展板可用，一個(gè)是 BLE 開(kāi)關(guān)，一個(gè)是多傳感器板（頂部綠框）。（圖片來(lái)源：Onsemi）
設計和部署選項
LED 路燈和工業(yè)照明燈具引發(fā)了照明網(wǎng)絡(luò )設計和部署的重新思考。與通常被其取代的技術(shù)不同，LED 可調光，因而為設計智慧城市和智能工業(yè) 4.0 設施創(chuàng )造了機會(huì )，可整合各種因素，如交通/使用模式、當日時(shí)間，甚至還有一套傳感器，以根據需要優(yōu)化照明水平。
在智慧城市中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是自然的選擇，而在工業(yè) 4.0 設施中，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)或以太網(wǎng)連接實(shí)現控制。以太網(wǎng)的好處是既能提供電力，又能實(shí)現通信。在這兩種情況下，溫度、濕度、甚至攝像傳感器都可以集成到燈具中，以擴展其功能。此外，還可以監測燈具本身的運行狀況，如內部溫度、LED 短路或開(kāi)路以及其他因素，以幫助安排預防性維護并降低運營(yíng)成本。
總結
如上所述，設計可靠高能效的互聯(lián) LED 照明系統，要從燈具的設計開(kāi)始。選擇的 LED 需要能夠提供最佳亮度水平，而使用分流器可以顯著(zhù)提高燈具的可靠性和性能。在智慧城市和工業(yè) 4.0 設施中使用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接的 LED 照明，除了減少能耗，還能夠降低持續的維護和運營(yíng)成本。全面的開(kāi)發(fā)平臺可以幫助加快智能互聯(lián) LED 照明解決方案的設計和部署。
（來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Jeff Shepard）
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