原创：Jeff Shepard＠DigiKey得捷
本文首先回顾了基本的LED操作和灯具结构，以及衡量 LED和灯具能效的指标。然后讨论了在智慧城市和工业 4.0 应用中使用分流器来最大限度提高灯具的可靠性和性能。最后，本文介绍了 STMicroelectronics 和 onsemi 的预制互联 LED照明驱动和控制开发平台及相关组件，以及设计和部署方面的考虑因素。
在智慧城市和工业 4.0 环境下，具有无线控制功能的 LED照明系统的使用越来越广泛，因为它带来了诸多好处，包括降低能源成本（相应地减少碳排放）、照明水平可控，以及因LED灯具的更高可靠性和更长使用寿命而降低维护成本。为了实现最佳效果，这些LED照明系统需要具有各种操作模式、传感和保护功能的照明控制器，还需要高效率和 90 至 300 伏交流电 (VAC)的宽工作电压范围，以及高功率因数 (PF) 和低总谐波失真(THD)。此外，完整配置系统还需要微控制器 (MCU)、数据集中器和无线收发器。从头开始设计无线LED照明控制系统是一项多学科的任务，需要承担很大的风险，并可能延迟上市时间。
作为替代方法，设计人员可以使用预制的联网 LED照明控制开发平台。这些平台具有高能效、高 PF，以及全面的无线控制功能（开/关、调光和其他模式）和多个独立控制的 LED通道，提供最大的设计灵活性。此类平台包括支持低功耗蓝牙 (BLE)、Zigbee 和6LoWPAN 等协议的无线通信模块。此外，开发环境也支持这些平台，包括可定制固件、Free RTOS 和各种用例。
LED灯特性
智能LED照明控制主要是控制每个灯串的 LED之间的交互，以优化灯具性能。它还包含智能电源转换，并扩展了功能以对多个灯具进行无线控制，包括硬件和软件，从而最大限度地提高街道照明和工业照明网络的性能。
典型的LED灯具包括多个串联在一个或多个灯串中的 LED。每个LED的驱动电压约为3.5 V。一个灯串通常包含 10 至 30 个LED，工作电压为 40 至 100 V，电流约为 0.35 至 1.0 A，具体取决于各个 LED的亮度（图 1）。
图 1：用于智能灯具的两串各 16 个 LED的灯串。（图片来源：Onsemi）
光源的亮度以流明 (lm) 为单位，其衡量人眼的视亮度，并考虑到眼睛对各种波长的可见光的敏感性。光源产生亮度的效率称为发光效率，测量单位为 lm/W。与其他常见的照明技术相比，LED具有更高的发光效率。然而，并非所有LED都具有相同的发光效率，有些 LED的发光效率明显高于其他 LED。此外，如果用更大的电流驱动，一个特定的LED可以产生更多的光。
LED比其他照明技术更可靠，但它们并不完美。LED可能会出现故障，特别是在高性能灯具中由大电流驱动时，例如那些用于街道照明和工业照明的LED。LED故障可能是短路或开路。如果灯串中的一个LED发生短路故障，该 LED会变黑，但灯串中的其余 LED继续工作。电流继续流经短路的 LED，使其加热到可以成为开路的程度，导致整个灯串变暗。
分流LEDLED灯具设计师面临着在更小的灯具中提供更高亮度的挑战。这往往需要LED在较高的温度下长期运行，可能导致 LED故障。尤其是预计工作寿命长达 15 年的路灯灯具。旁路分流器有助于满足对更高工作温度和延长寿命的矛盾要求。当一个 LED在开路状态下发生故障时，分流器会将该 LED旁路，保持灯串正常运行，因此灯串不会变暗，只有发生故障的 LED变暗（图 2）。
图片来源：Onsemi
图 2：如果没有旁路分流器，单个 LED的故障会导致整个灯串失效（左）。使用旁路分流器，只有故障的 LED变暗，而灯串中的其余 LED继续工作（右）。
根据灯具设计的需要，分流器可用于绕过一个或两个 LED（图 3）。如果一个 LED发生故障，绕过每个 LED可实现最小的亮度下降，而绕过两个LED可以将分流器的数量减少一半，适用于对成本更敏感的解决方案。例如，onsemi 的 NUD4700SNT1G 可用于旁路灯串中的单个LED，如果 LED恢复工作或被更换，该分流器将自动复位。STMicroelectronics 的 LBP01-0810B 可以旁路 1 个或 2 个LED，提高了设计灵活性并减少了零件数量。LBP01-0810B 还提供针对浪涌的过压保护，符合 IEC 61000-4-2 和 IEC 61000-4-5 标准。
图 3：可用于旁路1 个（左）或 2 个（右）LED的 LED分流器（虚线框内）可用。（图片来源：Onsemi）
智能街道照明智能街道照明系统的设计人员可以借助 STMicroelectronics 的 STEVAL-LLL006V1 板来评估大功率LED照明的选择（图4）。集成的 HVLED001A LED照明控制器包括各种工作模式、传感和保护机制，并使用 STP21N90K5 MOSFET 构建了一个智能而高效的电源转换器。该 LED驱动板使用 VIPER012LSTR 离线高压转换器 IC，提供 60 至 110 V 直流电输出，恒定电流为 0.7 A。为满足智能街道照明应用的需要，该驱动器的输入范围为 90 至 300VAC，PF 值超过 0.97，THD 低于 15%。嵌入式 SPSGRFC 亚千兆赫 (GHz) 收发器模块可用于接收开、关和调光命令，并将其发送到集成的 STM32L071KZ 微控制器。该收发器支持五级模拟调光。
图片来源：STMicroelectronics
图 4：STEVAL-LLL006V1LED照明开发板是集电源管理和无线连接于一体的平台的组成部分。
开发工具为了加快开发进程并突出 STEVAL-LLL006V1 评估板的功能，还提供了数据集中器单元 (DCU) 和 Android 移动应用程序。DCU 是在 NUCLEO-F401RE 平台上构建的集成评估环境。它包含一块 X-NUCLEO-IDS01A4 板，用于与 STEVAL-LLL006V1 进行亚千兆赫通信，还包含一块 X-NUCLEO-IDB05A2 板，用于与移动设备进行蓝牙通信。STMicroelectronics 还提供 6LoWPAN 智能街道照明移动应用，可用于组建智能街道照明控制器网，并评估网络功能。
工业LED照明互联的工业LED照明解决方案可以使用 onsemi 的 LIGHTING-1-GEVK互联照明平台进行原型设计。该开发平台具有无线控制功能，可选择使用离线 AC/DC 电源或可选以太网电源 (PoE)、LED模块和 LED驱动模块，以及将所有模块连接在一起的BLE 连接模块。可用的控制选项包括使用 onsemi 的RSL10 Sense and Control 移动应用或网络客户端。该开发平台包括 Free RTOS、带有可定制固件的 CMSIS-Pack 和几个用例，以开始探索使用互联工业 LED照明解决方案。
基础的 LIGHTING-1-GEVK 套件包括一个双LED驱动器、带有两个 LED灯串的 LED板、一个 AC/DC 电源以及一个 BLE 通信模块（图 5）。另有一个 PoE 电源模块，可提供高达90 W 的电力。套件中各种板的一些关键规格包括：
双 LED驱动器：包括两个 FL7760 LED驱动器，每个驱动器提供高达 25 W 的功率，效率高达 96%；4,000 步调光，可调低至0.6%；遥测数据，包括每个 LED驱动器的电流和电压测量；以及一个可插拔 MCU 模块的接头，支持无线连接。LED板：双独立通道，每个通道有 16 个 LED。一个通道的 LED额定亮度为 121 lm，另一个通道的 LED额定亮度为 95 lm，总可用亮度为7,000 lm。AC/DC 电源：包括两个带PFC 的 FL7740 初级侧调节反激式控制器，在 90 至 270 VAC的输入范围内工作，在 55 V 时输出 70 W 的电力，为 LED驱动板供电，PF 值超过 0.99，效率超过 91%。BLE 模块：互联照明平台使用三种 BLE 服务；照明控制服务由连接的设备用于远程读取和更改LED的状态；遥测服务由连接的设备用于监测 LED驱动器中的电压和电流；PoE 供电服务提供关于PoE 供电器对设备施加的 PoE 功率限制的信息。
图 5：基础开发套件包括一个双 LED驱动器、两个 LED灯串、AC/DC 电源和一个 BLE 连接模块。（图片来源：Onsemi）
扩展板LIGHTING-1-GEVK 套件有两块扩展板，即 BLE-SWITCH001-GEVB 能量收集 BLE 开关，以及 MULTI-SENSE-GEVB 多传感器板（图 6）。LED的亮度可通过 BLE 开关控制。按住开关时，亮度增加。松开开关或达到最大亮度时，光强度保持不变。再按一次开关，亮度就会降低。多传感器板支持包括环境光传感器、环境传感器和/或惯性运动传感器的系统原型开发。
图片来源：Onsemi
图 6：LIGHTING-1-GEVK套件有两个扩展板可用，一个是 BLE 开关，一个是多传感器板（顶部绿框）。
设计和部署选项LED路灯和工业照明灯具引发了照明网络设计和部署的重新思考。与通常被其取代的技术不同，LED可调光，因而为设计智慧城市和智能工业4.0 设施创造了机会，可整合各种因素，如交通/使用模式、当日时间，甚至还有一套传感器，以根据需要优化照明水平。
在智慧城市中，无线网状网络是自然的选择，而在工业 4.0 设施中，可以通过无线或以太网连接实现控制。以太网的好处是既能提供电力，又能实现通信。在这两种情况下，温度、湿度、甚至摄像传感器都可以集成到灯具中，以扩展其功能。此外，还可以监测灯具本身的运行状况，如内部温度、LED短路或开路以及其他因素，以帮助安排预防性维护并降低运营成本。
总结如上所述，设计可靠高能效的互联LED照明系统，要从灯具的设计开始。选择的 LED需要能够提供最佳亮度水平，而使用分流器可以显著提高灯具的可靠性和性能。在智慧城市和工业 4.0 设施中使用有线或无线连接的LED照明，除了减少能耗，还能够降低持续的维护和运营成本。全面的开发平台可以帮助加快智能互联 LED照明解决方案的设计和部署。
