LED照明設備非接觸供電技術的探討

李天華

(遵義師范學院物理與機電工程系，貴州 遵義 563002)

1 引言

半導體照明又稱固態照明，是指用固態發光器件作為光源的照明，包括 LED(Light Emitting Diode，發 光 二 極 管)和 OLED (OrganicLight Emitting Diode，有機發光二極管)，具有體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、環保、堅固耐用、可控性強等優勢，是理想的光源，有著廣泛的用途［1］。半導體照明是繼白熾燈、熒光燈之后照明光源的又一次革命。半導體照明技術發展迅速、應用領域廣泛、產業帶動性強、節能潛力大，被各國公認為最有發展前景的高效照明產業。

2009年9月22日國家發展和改革委員會等六部委公布了 《半導體照明節能產業發展意見》，并明確了半導體照明節能產業發展的“六年計劃”。隨著我國產業結構調整、發展方式轉變進程的加快，半導體照明節能產業作為節能減排的重要措施迎來了新的發展機遇期。由于技術的不斷進步，LED在照明領域的大規模應用即將啟動。國內外投資機構紛紛把目光投向LED領域，LED產業已經成為投資的熱點。

LED照明產業還在啟步階段，各種LED照明技術還在進一步完善中。我國LED產業需要把握市場脈搏，積極拓展消費市場，形成以市場應用促進科技創新、以科技創新帶動市場需求的良性循環。發揮LED的優勢，發展有特殊用途的LED發光設備，積極擴大LED發光設備的應用范圍。

2 非接觸供電技術

非接觸供電技術的特點是供電端與用電端無需任何物理上的連接，就可以把電能傳輸給用電端。利用電磁波進行毫米到厘米級范圍的近距離非接觸供電系統已經得到應用。如電動車輛、深水作業、機器人、礦山機械、電動牙刷、手機和筆記本等移動設備，甚至在植入人體的電子醫療器件也采用了這一技術供電、充電。因此，近距離非接觸供電技術有著廣泛的應用前景。

基于電磁感應原理的非接觸供電技術，綜合利用電力電子技術、磁場耦合技術、大功率高頻變換技術，借助現代控制理論和方法，實現了傳輸電能系統和用電設備的隔離，使兩者之間沒有電的直接接觸，很好地滿足了特種應用場合的需要，提高了電能傳輸的安全性和可靠性。因此，非接觸供電技術是一種安全、可靠、靈活的電能接入新技術［2］。

2.1 基本原理

非接觸供電系統包括電能發送單元和電能接收單元兩部分。電能發送單元主要由交直流電源電路、功率放大輸出電路、驅動電路、振蕩電路、基準電壓電路、控制保護電路以及發射線圈L1(變壓器初級)組成;電能接收單元主要包括接收線圈L2(變壓器次級)、高頻整流濾波電路和負載組成 (如圖1所示)。

圖1 非接觸供電系統結構圖

非接觸供電系統工作時輸人端將交流市電經全橋整流電路變換成直流電，或用直流電端直接為系統供電，直流電通過振蕩電路逆變轉換成高頻交流電經功率放大輸出電路放大供給發射線圈L1。通過發射線圈L1與接收線圈L2耦合電能，接收線圈L2輸出的電流經高頻整流濾波電路變換成直流電提供給負載［3］。

2.2 特性和缺陷

基于電磁感應原理的非接觸供電技術，發射線圈和接收線圈必須有諧振頻率一致的電磁共振，才能傳輸電能，而具有以下主要特性和缺陷:電磁共振以“電—磁—磁—電”的方式實現電能的傳遞，而且是一個開放的系統，必然存在著電磁輻射和能量的損耗，因此，近距離的實際效率很難超過80%，遠距離的狀態下，效率可能很低。因此，不符合節能的概念。

電磁能與距離的關系為電場強度與距離的二次方成反比，磁場強度與距離的四次方成反比。單純的電磁共振是不可能長距離傳輸的。通常在1米處，效率不超過1%。因此，只能在近距離內使用，一般不超過10厘米。

電磁共振可以穿透非金屬，卻不能穿透金屬。利用這個特性，可以制造出即時充電或即時供電的電器，在移動性、防水性和隔離性等方面有突出的表現，同樣可以應用這個特性，來解決其自身的電磁干擾問題。選擇一個適當供電頻率使系統產生共振，則電能發射端的電磁波頻段對正常的通信、廣播沒有干擾或干擾較小，對人體或其他生物不構成傷害，符合安全指標。

在幾個厘米以內的近距離的電磁共振中，還存在著空振高壓問題:接收電路在負載時的電壓與空載時的電壓相差懸殊，往往是數倍甚至是十倍以上，致使接收電路在空載時，由于電壓的大幅度升高，將負載電路燒壞。是目前電磁共振的非接觸供電技術難以實用的一個重要因素［4］。

3 非接觸供電技術在LED發光設備的應用

現有的LED發光標志牌、LED照明產品等，通常采用有線方式供電、充電。因而需要通過接口和導線進行有線方式供電、充電，需要在發光標志牌、照明設備上安裝接口及導線，導致設備整體防水、防漏氣性能低且不可靠。無法長期使用、安裝、儲存在惡劣的環境中，如水中、礦井中或者連續潮濕的環境中。

本文探究非接觸供電技術應用于LED發光設備可行性，把非接觸供電系統的電能接收端置入到LED發光設備內。選擇適當的LED驅動技術，設計能進行非接觸供電或充電的LED發光設備。該LED發光設備具有移動性、高度防水性、高度隔離性，適用于水下作業、礦井作業、抗洪救災等特殊場所的安全標志牌與照明。

3.1 應用實例

3.1.1 LED發光標志牌

本文設計的非接觸供電LED發光標志牌 (如圖2所示)，它由內部非接觸供電電能接收單元、充電電池、LED、LED驅動電路、系統控制電路、柔性電路板、外封裝透明膠套構成。外部由非接觸供電電能發送單元及電源構成。

圖2 非接觸供電LED發光標志牌

(1)電能發送單元

由國內明天科技有限公司研發生產的VOX330MP05S和VOXR10D是近距離下的非接觸供電芯片組，解決了長期以來不能解決的空振高壓問題，使輸出電壓基本維持在一個相對穩定的電壓范圍內。

VOX330MP05S是一款專門針對市電電源的非接觸供電的大功率發射模塊芯片，可以將市電整流后直接給芯片供電，工作電壓范圍大，最低可低至100V，最高電壓至400V，具有高達1A的電流發射能力，典型工作電路 (如圖3所示)。IC內部建有振蕩、基準電壓、脈寬調制、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求;VOX330MP05S自身功耗小，輸出電流大，發射效率高達70%以上;芯片內設自動限流電路，電路在空載時電流很小，而在大負載時的輸出能力可達空載時的十倍以上;VOX330MP05S外圍電路簡單，主要元件只有一個電阻、一個電容和一個線圈，因此使用方便。配合相應的接收模塊同時使用，就能實現非接觸供電。

圖3 電能發送單元

(2)電能接收單元

VOXR10是一款專門針對VOX系列的非接觸供電發射模塊設計的配套接收模塊芯片，可以為接收電路提供一個相對穩定的中心電壓。VOXR10內部建有基準電壓、限幅、低壓啟動、輸出推動和功率輸出等電路，完全符合電磁共振的特殊要求;而且自身功耗小，輸出電流大，接收效率高達80%以上;芯片內設自動限壓電路，電路在空載時電流很小。VOXR10外圍電路簡單，主要元件只有一個電容、一個二極管和一個線圈，因此使用方便。

電能發送單元發射電磁波，內部電能接收單元接收該電磁波并轉換為交流電后經整流濾波成直流電對電池進行充電。一個電能發送單元可以對多個內部電能接收單元發射電磁波進行充電［5］。充電電池一般用鋰電池，但鋰電池穩定性較差，在有易燃易爆氣體及物品的環境中采用鎳氫等電池。

(3)LED電路

一個LED與一個電阻串聯后組成一個基本單元，若干個基本單元之間可以采用串聯、并聯、混聯的方式進行連接;多個LED以陣列的形式安裝在一塊平面上組成LED點陣屏，點陣屏有各種顏色，分為單色、雙色、三色。把LED呈矩陣狀均勻布滿于柔性電路板上，可以排列組合成指標或警示性的圖標發光顯示［6］。

LED控制電路采用微處理器控制電路，以遙控控制系統、觸摸控制系統、輕觸開關來控制系統實現，簡單的可以直接用微型按鈕開關控制電源。LED驅動電路可采用分立元件驅動電路、集成驅動電路。

(4)封裝

外封裝透明膠套用于保護整個非接觸供電式LED發光標志牌的電路，把整個非接觸供電LED發光標志牌電路牢靠包封在外封裝透明膠套內，無任何接口，因此本文所述的非接觸供電LED發光標志牌具有高度可靠的防水、防漏氣性能。本標志牌還可以根據用戶需要，制做成不同形狀，進行單面、雙面、多面發光顯示。

3.1.2 LED礦燈

據有關資料統計，煤礦井下瓦斯爆炸事故有三分之一以上是礦燈故障引起的，這主要是由于礦燈所使用的白熾燈泡存在的缺陷所造成的。而LED礦燈解決了白熾燈泡的安全隱患，在煤礦上大量推廣使用。LED礦燈在節能、安全性、易用性等方面與采用白熾燈的礦燈相比都有較大改進，但還存在著以下問題需要解決。

礦井下潮濕、多水、空氣混濁、灰塵大，LED礦燈采用了鎳氫電池或鋰電池為電源，LED發光二極管為光源，這些元件一但進水、進入灰塵后就易損壞，甚至報廢。閉鎖螺絲受潮后會生銹，難以卸掉，須將螺栓廢掉，浪費材料費和工時。充電接口經常進灰堵塞，尤其水泥進到充電接口凝固后就很難去掉，影響LED礦燈充電，嚴重的就可能報廢。

本設計把電能接收端置入LED礦燈，用透明膠套把LED礦燈牢靠密封，采用非接觸供電技術，就可以解決上述問題。提高了LED礦燈的使用壽命、防爆性能、抗靜電性能，降低了LED礦燈的報廢率，減少了維修量，增加了實用性和安全可靠系數。

3.2 系統分析與構成

對使用非接觸供電技術的LED發光設備的設計，要從三個角度考慮完成系統的設計:一是從器件的選擇、電路設計上盡可能的提高系統的效率;二是嵌入非接觸式的RFID(RadioFrequency Identification，射頻識別)技術，實現ID認證機制，保證系統的安全;三是采用MCU(Micro Control Unit，微控制器)作核心的部分，產生驅動電路所需的振蕩頻率，同時也需要控制RFID組件與電能接收端進行信息交互。使供電端與用電端可以用一對一、一對多、多對一、多對多和網絡分布方式供電［3］。

系統由供電部分及工作部分組成 (如圖4所示)。供電部分由MCU和供電單元組成，MCU通過RFID發射單元檢測負載位置的情況，當負載存在時，開通供電單元，進行供電。工作部分由 MCU、與電能發送端相對應的RFID組件、LED單元、受電單元和充電電池組成，受電單元主要實現電能的接收，受電線圈接收電能，通過整流、濾波處理后向電池和LED單元供電。MCU的外圍電路包括復位電路、參考電壓電路、串口下載電路、電源與接地、按鍵、報警等。系統的人機對話界面，通過顯示模塊來實現。工作部分、供電部分、供電管理、按鍵、顯示等功能都由MCU進行控制［7］。

圖4 用非接觸供電技術的LED發光設備結構框圖

實現使用非接觸供電技術的LED發光設備的方案是上述的整合，即兩部分構成，分別為接220V交流電的電能發送端和給LED發光設備電池充電的電能接收端。將待充電LED發光設備放到充電器上，打開設在電源端的充電開關，電能發送端發出驗證信息，電能接收端收到驗證信息后發出確認信息，身份驗證通過后，則控制驅動電路開始工作，實現電能的傳輸。

4 結束語

對使用非接觸供電技術的LED發光設備的設計，首先應設定系統預計達到的各項指標，作為測試使用非接觸供電技術的LED發光設備理論依據。通過不斷的測試系統、分析測試結果，提出改進措施，最終使系統達到預設指標。要考慮LED光學特性，發揮LED色彩多樣性的特點，設計出合理的供電電源及控制電路，提高LED發光設備的穩定性，提高電源的效率［8］。控制電路要向集中控制，模塊化，系統可擴展性方面發展設計等。由于方便、完全密封等特點，此類使用非接觸供電技術的LED發光設備將會有很大的應用空間。

［1］楊清德，康婭.LED及其工程應用 ［M］.北京:人民郵電出版社，2007.7～25.

［2］陳堅.一種無接觸式充電電路的研究 ［D］.杭州:浙江大學，2005.1～61.

［3］王曉靜.基于 RFID技術的無線充電系統研究 ［D］.北京:北京郵電大學，2008.4～45.

［4］朱斯忠. 無 線 供 電 ［EB/OL］http://www.wirelesspower.cn/，2009－9－1/2009－11－20.

［5］古人.易用的三端無線供電芯片組VOX05MP01和VOXR10D ［J］.無線電，2009(9):72～73.

［6］周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2006.73～302.

［7］武文君.植入式電子裝置經皮感應充電系統設計［D］.天津:天津大學，2006.3～21.

［8］朱繼紅.LED在景觀照明中的基本混光方式 ［J］.照明工程學報，2008(3):26～29.