LED控制裝置與傳統(tǒng)控制裝置在實(shí)際應(yīng)用中的比較

程 曄

(依古姿妮照明(中國(guó))有限公司，上海 201401)

引言

LED控制裝置不僅要提供電流使LED正常可靠地工作，還要能兼容各種調(diào)光控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能和情景照明。如果LED控制裝置的功能和可靠性無(wú)法得到保證的話，這必將成為限制LED性能發(fā)揮的限制和短板。和LED一樣，LED控制裝置作為新生事物，還有很多問(wèn)題需要研究解決，同時(shí)還有很多新的技術(shù)等引入到新產(chǎn)品中，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)也不完善，這就導(dǎo)致了LED控制裝置市場(chǎng)琳瑯滿目，魚(yú)龍混雜。由于跟傳統(tǒng)控制裝置的不同，在使用過(guò)程中會(huì)遇到疑惑與問(wèn)題。本文通過(guò)比較LED控制裝置與傳統(tǒng)控制裝置的區(qū)別，分析LED控制裝置的特點(diǎn)與趨勢(shì)，從而幫助使用者更好地理解LED控制裝置，同樣也幫助LED控制裝置的制造商能更了解使用者的需求。

1 尺寸

傳統(tǒng)控制裝置(如：熒光燈鎮(zhèn)流器、HIT鎮(zhèn)流器)經(jīng)過(guò)了一個(gè)比較漫長(zhǎng)的發(fā)展期。由于其核心技術(shù)還是掌握在幾個(gè)大的照明企業(yè)中，他們之間相互合作也達(dá)成一系列協(xié)議，制定了一些標(biāo)準(zhǔn)。這樣在使用這些傳統(tǒng)控制裝置時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)企業(yè)的傳統(tǒng)控制裝置，不僅在尺寸上幾乎一樣，而且在定位尺寸上也幾乎一致，甚至輸入、輸出的端子也一致。這樣的好處是，不僅能使燈具制造商能有更多的使用選擇，而且使使用者能方便替換。而LED控制裝置目前為止沒(méi)有類似的規(guī)定。由于LED照明產(chǎn)品在向小型化、輕薄化的方向發(fā)展，LED控制裝置也有這樣的趨勢(shì)。但其導(dǎo)致的是可能無(wú)法有相同定位的控制裝置來(lái)隨意替換。為了增加更多的選擇性，就需要在設(shè)計(jì)中去嘗試更多的定位，同時(shí)對(duì)于庫(kù)存、交期的管理也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。當(dāng)然目前還有一種產(chǎn)品趨勢(shì)，為了替代傳統(tǒng)熒光燈，LED控制裝置尺寸大小會(huì)設(shè)計(jì)成和熒光燈鎮(zhèn)流器一樣。由于LED光源開(kāi)始有模組化趨勢(shì)，如光引擎需要符合ZHAGA標(biāo)準(zhǔn)，LED驅(qū)動(dòng)電源尺寸也會(huì)是下一代標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)。LED控制裝置尺寸的統(tǒng)一便于互換性和倉(cāng)儲(chǔ)管理，但卻不利于產(chǎn)品創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。我們需要在標(biāo)準(zhǔn)化和創(chuàng)新之間找到一種平衡。

2 功率

對(duì)于傳統(tǒng)控制裝置，其型號(hào)的標(biāo)注是以所能控制的光源功率來(lái)決定的。以O(shè)SRAM公司的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品為例，對(duì)于熒光燈鎮(zhèn)流器QTP5 1x28，我們很容易就知道它能控制的就是28W熒光燈；同樣，對(duì)于HIT鎮(zhèn)流器PTi 35/220-240，我們一看也知道它能控制的是35W的HIT。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，多功率型的鎮(zhèn)流器也推出市場(chǎng)，使其能同時(shí)驅(qū)動(dòng)多種功率的光源。但無(wú)論如何，對(duì)于傳統(tǒng)的控制裝置，我們只要知道光源的功率，然后根據(jù)型號(hào)去找合適的鎮(zhèn)流器就可以了。但對(duì)于LED控制裝置就完全不是這樣了。對(duì)于單顆粒LED，往往需要通過(guò)串并聯(lián)的組合做出我們需要的光源，組合的不同導(dǎo)致功率、驅(qū)動(dòng)電壓的不同。對(duì)于逐漸流行的COB封裝的LED，不同的驅(qū)動(dòng)電壓和電流能導(dǎo)致功率的不同。這就導(dǎo)致了不能簡(jiǎn)單地通過(guò)一個(gè)參數(shù)，如功率，來(lái)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地確定LED控制裝置能否和LED配合使用。我們需要考慮其驅(qū)動(dòng)電流、電壓范圍、驅(qū)動(dòng)功率等多個(gè)要素來(lái)全面的從電氣方面來(lái)衡量是否能驅(qū)動(dòng)我們的LED(圖1)。根據(jù)電壓范圍，我們可以看出一般需要帶足夠的負(fù)載才能正常工作，這就使得LED驅(qū)動(dòng)電源在項(xiàng)目中的適應(yīng)性、靈活性不夠。

圖1 通過(guò)各種電氣參數(shù)選擇合適的LED驅(qū)動(dòng)Fig.1 Choose the right LED driver according to kinds of electrical parameter

雖然選擇LED控制裝置給我們帶來(lái)了一些不直接性，可能需要專業(yè)人員來(lái)幫助選型，但另一方面來(lái)說(shuō)我們不再像傳統(tǒng)控制裝置那樣，一個(gè)電器帶一個(gè)光源，可能一個(gè)電器能帶數(shù)個(gè)光源，這樣把驅(qū)動(dòng)的成本平攤到光源中。為了更好的體現(xiàn)規(guī)模成本的優(yōu)勢(shì)，LED控制裝置往往朝大功率方向發(fā)展，其安裝可能并不跟燈具安裝在一起，而是安裝在電器箱中。選擇合適的LED控制裝置實(shí)際就是根據(jù)所要驅(qū)動(dòng)的LED選擇合適的工作點(diǎn)(圖2)，無(wú)論是一個(gè)LED燈具還是多個(gè)LED燈具，除了功率外，還要考慮已經(jīng)提到的輸出電壓、輸出電流，以及下文提到的負(fù)載、效率、功率因數(shù)、工作溫度等，這是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作。

圖2 根據(jù)所要驅(qū)動(dòng)LED選擇合適的工作點(diǎn)，確定LED控制裝置Fig.2 Choose right working point of LED to confirm the LED dirver

3 電壓與連接數(shù)量和連接距離

對(duì)于傳統(tǒng)控制裝置，其額定電壓為交流市電，加上其一般設(shè)計(jì)有較寬的電壓范圍，其連接距離一般不受壓降的限制。置于連接數(shù)量主要取決于導(dǎo)線截面、連接端子等的電流容量。

對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)控制裝置，除了輸入電壓為交流市電外，很多的驅(qū)動(dòng)都是低壓直流輸入，其輸入電壓范圍相對(duì)較小，連接的距離主要取決于線路上的壓降。由于這種控制裝置一般前端需要一個(gè)電源變壓器，所以連接數(shù)量主要取決于這個(gè)電源的容量。

我們要了解LED燈具傳輸?shù)淖铋L(zhǎng)距離對(duì)于工程應(yīng)用是很關(guān)鍵的，特別是對(duì)于大項(xiàng)目而言。在前期電氣設(shè)計(jì)時(shí)，正確的計(jì)算既能節(jié)省成本，又能保證出光的一致性以及產(chǎn)品工作的穩(wěn)定性(圖3)。

圖3 距離過(guò)長(zhǎng)將影響LED燈具的出光一致性Fig.3 too long distance can affect the light conformity of LED fixtures

正因?yàn)楣こ躺系男枰旅嫖覀儗⑼ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)估算出導(dǎo)線的最大長(zhǎng)度Lc。

圖4 LED燈具直流供電及導(dǎo)線最大長(zhǎng)度LcFig.4 LED luminaires are driven by DC and max length of wirings Lc

根據(jù)歐姆定律及電阻定律，可以推算出導(dǎo)線長(zhǎng)度L為

(1)

式中，U為電壓；S為導(dǎo)線截面面積；I為電流，ρ為電阻率。

根據(jù)圖4實(shí)際可能產(chǎn)生的燈具線路，設(shè)定如下參數(shù)：

Δx——電源輸出和產(chǎn)品最小工作電壓之間的允許壓降，即主線上的壓降；

Sc——所用導(dǎo)線的截面積;

0.0174——銅的電阻率(Ω·mm2/m)(20℃時(shí))；

Np——電源能驅(qū)動(dòng)的最大燈具數(shù)量；

I——燈具的最大輸入電流。

由于燈具之間是并聯(lián)方式，其總電流為各燈具電流和，即Np×I。

將上述各值帶入公式(1)，可得導(dǎo)線的總長(zhǎng)為

(2)

考慮到導(dǎo)線的總長(zhǎng)包括整個(gè)回路，而導(dǎo)線最大長(zhǎng)度Lc應(yīng)為這個(gè)回路的一半，可以由下面的公式計(jì)算得到：

(3)

公式(3)是通用的公式，但要再進(jìn)一步精確計(jì)算時(shí)，特別是單一燈具的導(dǎo)線需要足夠長(zhǎng)時(shí)，除了主線上產(chǎn)生壓降，最后在燈具部分支線L1上也應(yīng)計(jì)算壓降，主線上的壓降和支線上的壓降總和即為總的壓降。假設(shè)支線上的壓降為Δy，根據(jù)公式(3)，主線上的壓降為

(4)

(5)

其中：Δy為支線單一產(chǎn)品的允許壓降；S1為單一產(chǎn)品所用導(dǎo)線的截面積。

總的壓降為公式(4)與公式(5)之和，即

(6)

公式(6)為精確的計(jì)算各種要素之間的數(shù)值。當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中還要進(jìn)一步考慮其他實(shí)際限制情況，如帶有DMX的控制裝置，信號(hào)線的限制只有100m；還有電源容量的限制，實(shí)際能帶的燈具數(shù)量有限。由于計(jì)算并不是特別便捷，在實(shí)際應(yīng)用中我們常常給出簡(jiǎn)單的圖表或公式方便使用者使用(圖5)。

圖5 實(shí)際應(yīng)用中說(shuō)明書(shū)給出連接的限制距離和相關(guān)條件Fig.5 The instruction sheet shows the distance limit in real application

4 多種配置

如前文所述，傳統(tǒng)控制裝置一般一個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)配合一種光源，即使如熒光燈鎮(zhèn)流器可以配合多款熒光燈管，其也可以通過(guò)自身的硬件去實(shí)現(xiàn)。而LED控制裝置一般可分為恒流驅(qū)動(dòng)和恒壓驅(qū)動(dòng)。恒壓驅(qū)動(dòng)一般有12V、24V、48V等，恒流驅(qū)動(dòng)一般有200mA、350mA、700mA、1000mA等。為了方便各種應(yīng)用，LED控制裝置的趨勢(shì)不再是單一電壓或電流，而是能提供多種電壓或電流的組合，雖然會(huì)增加一部分成本，但是能提供更多的應(yīng)用，同時(shí)減少倉(cāng)儲(chǔ)的成本。更改配置主流的方式有電阻、DIP開(kāi)關(guān)及編程器。其次一個(gè)LED控制裝置，可能包括各種控制協(xié)議(圖6)，如1～10V、DALI、Push L等，還要適用于各種電網(wǎng)環(huán)境，基本做到一控制在手，所有應(yīng)用都不愁，這個(gè)是傳統(tǒng)控制裝置不敢想象的。

圖6 多種配置的某LED控制裝置Fig.6 Kinds of configuration in LED driver

當(dāng)然，多種配置對(duì)于控制裝置的設(shè)計(jì)也是一種挑戰(zhàn)，它的每一種配置必須兼顧安全、性能、EMC等各個(gè)方面。按照傳統(tǒng)控制裝置的思路，根據(jù)使用者的要求LED燈具制造商一般只測(cè)試功率最大的產(chǎn)品，但不知配置變化會(huì)引起其他方面的變化。在實(shí)際測(cè)試中，常常會(huì)碰到不合格的情況，特別是EMC，常常需要在外部進(jìn)行修改。用電阻等配置不同電流時(shí)往往會(huì)引起諧波電流的變化，負(fù)載的變化會(huì)影響功率因數(shù)從而影響諧波電流，都可能會(huì)使測(cè)試失敗(圖7)。再者，LED控制裝置對(duì)于不同的負(fù)載會(huì)有不同的效率，往往在低負(fù)載時(shí)效率變低，導(dǎo)致大量的能量被消耗在關(guān)鍵電器件上，有可能這時(shí)候的溫度是極限溫度(圖8)。由于需要兼顧各種性能要求，每種配置可能引起的問(wèn)題不同，導(dǎo)致了可能的解決方法也不同，這就勢(shì)必在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要定義每個(gè)方案的圖紙、BOM，給設(shè)計(jì)研發(fā)工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。這也要求LED控制制造商不單單是制造出這種產(chǎn)品，還要進(jìn)行大量測(cè)試驗(yàn)證工作，以減少應(yīng)用過(guò)程中的麻煩。

圖7 某LED控制裝置的功率因數(shù)、效率隨負(fù)載配置變化曲線Fig.7 Curve: PF and efficiency of LED driver

圖8 某LED控制裝置調(diào)光電壓及調(diào)制電阻與輸出電流的關(guān)系Fig.8 Curve: the relationship between output current and dimming voltage/resistance

LED形式一般為單一顆粒，即使其光效在不斷提高，達(dá)到100lm/W以上的水平，但單一顆粒發(fā)出的光的數(shù)量還是畢竟有限。在根據(jù)照明要求需要獲得合適的光通量時(shí)，往往需要多顆顆粒的組合才能實(shí)現(xiàn)這種光的要求，例如一些大功率的投光燈、路燈、筒燈等都需要多種顆粒的組合。此外對(duì)于建筑上大量運(yùn)用的線性燈，光靠一顆LED就想達(dá)到這種效果也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不可能的。

我們很難做到對(duì)于不同應(yīng)用都重新設(shè)計(jì)不同數(shù)量LED線路板來(lái)制作產(chǎn)品，這樣做對(duì)于照明企業(yè)來(lái)說(shuō)是不經(jīng)濟(jì)的，無(wú)論是對(duì)于設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)還是倉(cāng)儲(chǔ)。在制造這種對(duì)于LED數(shù)量要求比較大的產(chǎn)品時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中為了替換維護(hù)方便、制作生產(chǎn)容易且效率高、充分發(fā)揮規(guī)模成本優(yōu)勢(shì)，特別是方便組合LED以實(shí)現(xiàn)千變?nèi)f化的應(yīng)用，我們將LED做成我們需要的最小單元即模組。通過(guò)模組的增減及變化來(lái)生產(chǎn)出能應(yīng)用于不同場(chǎng)合下的產(chǎn)品，這就是我們?cè)O(shè)計(jì)生產(chǎn)LED燈具模組化的趨勢(shì)。伴隨LED線路板標(biāo)準(zhǔn)化程度提高，將有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模化和通用化，利用對(duì)各類標(biāo)準(zhǔn)組件進(jìn)行排列組合就可以拼裝出需要的燈具，這種方式有利于提升產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量控制水平，適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。這就要求LED控制裝置能配合LED的模組化，能輸出各種應(yīng)用所需的電參數(shù)，也達(dá)到LED控制裝置的經(jīng)濟(jì)性和模組化(圖9)。

圖9 LED照明產(chǎn)品的模組化趨勢(shì)Fig.9 Modular trend of LED lighting products

例如，某公司生產(chǎn)LED線性燈，根據(jù)長(zhǎng)度來(lái)分有0.5m、1m和1.5m三種規(guī)格。每種規(guī)格對(duì)應(yīng)的LED數(shù)量是11顆、22顆和33顆。選擇長(zhǎng)度0.5m、11顆LED顆粒的線路板作為模組化生產(chǎn)，則對(duì)應(yīng)的不同長(zhǎng)度線性燈只需1塊、2塊或3塊這樣的模組組裝起來(lái)。這就不需要單獨(dú)開(kāi)發(fā)22顆粒以及33顆粒的LED線路板，不僅耗時(shí)又增加成本。

LED的模組化趨勢(shì)導(dǎo)致LED控制裝置模組化的趨勢(shì)。以上述產(chǎn)品為例，如果我選擇一個(gè)LED控制裝置能驅(qū)動(dòng)11顆0.5m的LED線路板，這樣只要分別使用2個(gè)或3個(gè)同樣的LED控制裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)1m或1.5m的產(chǎn)品。LED控制裝置的規(guī)模化顯而易見(jiàn)還能控制產(chǎn)品的體積以保證LED照明的輕薄化，保證SELV幫助產(chǎn)品的安全，還能幫助提高產(chǎn)品的性能。我們假設(shè)LED的驅(qū)動(dòng)電壓3V，如果只需要驅(qū)動(dòng)11顆顆粒的話，驅(qū)動(dòng)電壓為33V；但我們?nèi)绻?qū)動(dòng)22顆或33顆顆粒時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓就會(huì)達(dá)到66V和99V。驅(qū)動(dòng)電壓越高對(duì)于LED控制裝置的制作要求也越高，勢(shì)必會(huì)增加制造成本、體積、性能、安全等多方面因素。

當(dāng)然，如果一個(gè)LED燈具產(chǎn)品可能同時(shí)用幾個(gè)LED控制裝置話，這樣LED控制裝置要求不僅要求在性能上有多種選擇以適應(yīng)不同的模組組合，其次在可靠性、安全性上不能因?yàn)檫^(guò)多控制裝置而降低。因?yàn)長(zhǎng)ED控制裝置的尺寸無(wú)法改變，要在同一尺寸中實(shí)現(xiàn)各種配置對(duì)于LED控制制造商也是一種挑戰(zhàn)(圖10)。

圖10 某LED控制裝置在同一尺寸中有多種型號(hào)以適應(yīng)LED模組化要求Fig.10 LED driver has many models in same dimension to meet LED modular trend

5 組合

控制裝置的主要功能就是將輸入的電源轉(zhuǎn)換為光源正常工作的電壓或電流。傳統(tǒng)控制裝置的輸入電源一般就是交流市電，而LED控制裝置的輸入可以是交流市電，也可以是直流電源。這樣，如果沒(méi)有合適的單一LED控制裝置的話，LED的驅(qū)動(dòng)還可以通過(guò)各種控制裝置的組合得以實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)控制裝置則不能實(shí)現(xiàn)這樣組合的應(yīng)用(圖11)。

圖11 LED控制裝置組合Fig.11 The combination of LED driver

這樣做的好處主要有：

1)在一些特殊安全應(yīng)用場(chǎng)合，如：屋檐、泳池、重要政治建筑物等，燈的主體部分為SELV能保證建筑的安全以及很好的保護(hù)使用者的安全(圖12)。

圖12 SELV燈具的特殊應(yīng)用場(chǎng)合Fig.12 The special application location of SELV luminaires

2)為了實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用需求，只需設(shè)計(jì)直流轉(zhuǎn)換這部分，從而提高電源部分用量，這樣能大大降低成本，避免每個(gè)應(yīng)用都要選擇特殊的適配控制器。

3)還能適應(yīng)各種LED燈具的體積，使產(chǎn)品能適應(yīng)各種嚴(yán)苛的安裝應(yīng)用。為了達(dá)到更精美的設(shè)計(jì)，往往把LED驅(qū)動(dòng)電源從產(chǎn)品中移出。并且減少熱量對(duì)LED的影響。

但隨之帶來(lái)的問(wèn)題是，各種控制裝置過(guò)多，可靠性變差，體積較大，各種控制直接需要可靠的連接，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)有問(wèn)題。

6 室內(nèi)應(yīng)用與室外應(yīng)用

由于LED節(jié)能及色彩特性，在照明領(lǐng)域LED首先被應(yīng)用于室外產(chǎn)品，如：路燈、線性燈及地埋燈等。這類燈往往有著嚴(yán)格的防水防塵等級(jí)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，由于控制裝置是照明系統(tǒng)的壽命短板，考慮到維護(hù)的方便性，以及在某些特殊場(chǎng)合需要安全低壓時(shí)，燈具往往做成燈體與控制裝置分離。這就要求LED控制裝置也有與燈具一樣的防護(hù)等級(jí)。這也是市場(chǎng)上我們會(huì)看到大量帶有IP等級(jí)的LED控制裝置。在工程中，LED嵌入式燈具往往是電器與燈體分離，這樣對(duì)于獨(dú)立式LED控制裝置也有大量的需求。這些都是與傳統(tǒng)控制裝置明顯不同的市場(chǎng)特點(diǎn)。

大量的室外應(yīng)用也要求LED控制裝置能適應(yīng)各種極端溫度條件，這對(duì)于零部件的選擇也是極大的考驗(yàn)。由于LED燈具大部分能量會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，散熱能力將直接影響LED的壽命，進(jìn)而LED燈具系統(tǒng)的壽命。在這樣一個(gè)相對(duì)高溫的環(huán)境，隨著溫度的升高，LED控制裝置帶負(fù)載能力也隨之減弱，專業(yè)的廠商會(huì)給出控制裝置的減額曲線。此外，室外應(yīng)用中，LED控制裝置還應(yīng)考慮雷電浪涌等要求(圖13)。

圖13 LED控制裝置的室內(nèi)外應(yīng)用以及減額曲線Fig.13 Indoor/outdoor application and derating curve of LED control gear

7 結(jié)束語(yǔ)

LED控制裝置作為L(zhǎng)ED燈具的關(guān)鍵一環(huán)正越來(lái)越被人們所認(rèn)識(shí)。除了設(shè)計(jì)原理與傳統(tǒng)控制裝置有很大區(qū)別以外，人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中也漸漸發(fā)現(xiàn)不能將原有對(duì)控制裝置的認(rèn)知也應(yīng)用于LED控制裝置。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中應(yīng)密切關(guān)注LED控制裝置技術(shù)化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其有正確的認(rèn)知這樣才能真正使用好它。同樣，只有認(rèn)清應(yīng)用上的趨勢(shì)，才能指導(dǎo)我們的企業(yè)及設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出真正為L(zhǎng)ED燈具制造商所需要的LED控制裝置。

[1] 江磊, 劉木清. LED驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)新進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報(bào), 2014, 25(2):1-9.

[2] 林方盛，蔣曉波，江磊，等. LED驅(qū)動(dòng)電源綜述[J].照明工程學(xué)報(bào)，2012,23(增刊)：96-101.

[3] 程曄.與LED燈具有關(guān)的電參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)中適用性的研究(上) [J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2012, 23(5):102-111.

[4] 程曄. LED驅(qū)動(dòng)電源實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題探討[J].半導(dǎo)體照明,2012(8):77-83.

[5] 程曄. LED驅(qū)動(dòng)電源在工程應(yīng)用中與LED燈具配套問(wèn)題[J].半導(dǎo)體照明,2013(10):76-77.