LED照明设备非接触供电技术的探讨

李天华

(遵义师范学院物理与机电工程系，贵州 遵义 563002)

1 引言

半导体照明又称固态照明，是指用固态发光器件作为光源的照明，包括 LED(Light Emitting Diode，发 光 二 极 管)和 OLED (OrganicLight Emitting Diode，有机发光二极管)，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、环保、坚固耐用、可控性强等优势，是理想的光源，有着广泛的用途［1］。半导体照明是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命。半导体照明技术发展迅速、应用领域广泛、产业带动性强、节能潜力大，被各国公认为最有发展前景的高效照明产业。

2009年9月22日国家发展和改革委员会等六部委公布了 《半导体照明节能产业发展意见》，并明确了半导体照明节能产业发展的“六年计划”。随着我国产业结构调整、发展方式转变进程的加快，半导体照明节能产业作为节能减排的重要措施迎来了新的发展机遇期。由于技术的不断进步，LED在照明领域的大规模应用即将启动。国内外投资机构纷纷把目光投向LED领域，LED产业已经成为投资的热点。

LED照明产业还在启步阶段，各种LED照明技术还在进一步完善中。我国LED产业需要把握市场脉搏，积极拓展消费市场，形成以市场应用促进科技创新、以科技创新带动市场需求的良性循环。发挥LED的优势，发展有特殊用途的LED发光设备，积极扩大LED发光设备的应用范围。

2 非接触供电技术

非接触供电技术的特点是供电端与用电端无需任何物理上的连接，就可以把电能传输给用电端。利用电磁波进行毫米到厘米级范围的近距离非接触供电系统已经得到应用。如电动车辆、深水作业、机器人、矿山机械、电动牙刷、手机和笔记本等移动设备，甚至在植入人体的电子医疗器件也采用了这一技术供电、充电。因此，近距离非接触供电技术有着广泛的应用前景。

基于电磁感应原理的非接触供电技术，综合利用电力电子技术、磁场耦合技术、大功率高频变换技术，借助现代控制理论和方法，实现了传输电能系统和用电设备的隔离，使两者之间没有电的直接接触，很好地满足了特种应用场合的需要，提高了电能传输的安全性和可靠性。因此，非接触供电技术是一种安全、可靠、灵活的电能接入新技术［2］。

2.1 基本原理

非接触供电系统包括电能发送单元和电能接收单元两部分。电能发送单元主要由交直流电源电路、功率放大输出电路、驱动电路、振荡电路、基准电压电路、控制保护电路以及发射线圈L1(变压器初级)组成;电能接收单元主要包括接收线圈L2(变压器次级)、高频整流滤波电路和负载组成 (如图1所示)。

图1 非接触供电系统结构图

非接触供电系统工作时输人端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用直流电端直接为系统供电，直流电通过振荡电路逆变转换成高频交流电经功率放大输出电路放大供给发射线圈L1。通过发射线圈L1与接收线圈L2耦合电能，接收线圈L2输出的电流经高频整流滤波电路变换成直流电提供给负载［3］。

2.2 特性和缺陷

基于电磁感应原理的非接触供电技术，发射线圈和接收线圈必须有谐振频率一致的电磁共振，才能传输电能，而具有以下主要特性和缺陷:电磁共振以“电—磁—磁—电”的方式实现电能的传递，而且是一个开放的系统，必然存在着电磁辐射和能量的损耗，因此，近距离的实际效率很难超过80%，远距离的状态下，效率可能很低。因此，不符合节能的概念。

电磁能与距离的关系为电场强度与距离的二次方成反比，磁场强度与距离的四次方成反比。单纯的电磁共振是不可能长距离传输的。通常在1米处，效率不超过1%。因此，只能在近距离内使用，一般不超过10厘米。

电磁共振可以穿透非金属，却不能穿透金属。利用这个特性，可以制造出即时充电或即时供电的电器，在移动性、防水性和隔离性等方面有突出的表现，同样可以应用这个特性，来解决其自身的电磁干扰问题。选择一个适当供电频率使系统产生共振，则电能发射端的电磁波频段对正常的通信、广播没有干扰或干扰较小，对人体或其他生物不构成伤害，符合安全指标。

在几个厘米以内的近距离的电磁共振中，还存在着空振高压问题:接收电路在负载时的电压与空载时的电压相差悬殊，往往是数倍甚至是十倍以上，致使接收电路在空载时，由于电压的大幅度升高，将负载电路烧坏。是目前电磁共振的非接触供电技术难以实用的一个重要因素［4］。

3 非接触供电技术在LED发光设备的应用

现有的LED发光标志牌、LED照明产品等，通常采用有线方式供电、充电。因而需要通过接口和导线进行有线方式供电、充电，需要在发光标志牌、照明设备上安装接口及导线，导致设备整体防水、防漏气性能低且不可靠。无法长期使用、安装、储存在恶劣的环境中，如水中、矿井中或者连续潮湿的环境中。

本文探究非接触供电技术应用于LED发光设备可行性，把非接触供电系统的电能接收端置入到LED发光设备内。选择适当的LED驱动技术，设计能进行非接触供电或充电的LED发光设备。该LED发光设备具有移动性、高度防水性、高度隔离性，适用于水下作业、矿井作业、抗洪救灾等特殊场所的安全标志牌与照明。

3.1 应用实例

3.1.1 LED发光标志牌

本文设计的非接触供电LED发光标志牌 (如图2所示)，它由内部非接触供电电能接收单元、充电电池、LED、LED驱动电路、系统控制电路、柔性电路板、外封装透明胶套构成。外部由非接触供电电能发送单元及电源构成。

图2 非接触供电LED发光标志牌

(1)电能发送单元

由国内明天科技有限公司研发生产的VOX330MP05S和VOXR10D是近距离下的非接触供电芯片组，解决了长期以来不能解决的空振高压问题，使输出电压基本维持在一个相对稳定的电压范围内。

VOX330MP05S是一款专门针对市电电源的非接触供电的大功率发射模块芯片，可以将市电整流后直接给芯片供电，工作电压范围大，最低可低至100V，最高电压至400V，具有高达1A的电流发射能力，典型工作电路 (如图3所示)。IC内部建有振荡、基准电压、脉宽调制、限幅、低压启动、输出推动和功率输出等电路，完全符合电磁共振的特殊要求;VOX330MP05S自身功耗小，输出电流大，发射效率高达70%以上;芯片内设自动限流电路，电路在空载时电流很小，而在大负载时的输出能力可达空载时的十倍以上;VOX330MP05S外围电路简单，主要元件只有一个电阻、一个电容和一个线圈，因此使用方便。配合相应的接收模块同时使用，就能实现非接触供电。

图3 电能发送单元

(2)电能接收单元

VOXR10是一款专门针对VOX系列的非接触供电发射模块设计的配套接收模块芯片，可以为接收电路提供一个相对稳定的中心电压。VOXR10内部建有基准电压、限幅、低压启动、输出推动和功率输出等电路，完全符合电磁共振的特殊要求;而且自身功耗小，输出电流大，接收效率高达80%以上;芯片内设自动限压电路，电路在空载时电流很小。VOXR10外围电路简单，主要元件只有一个电容、一个二极管和一个线圈，因此使用方便。

电能发送单元发射电磁波，内部电能接收单元接收该电磁波并转换为交流电后经整流滤波成直流电对电池进行充电。一个电能发送单元可以对多个内部电能接收单元发射电磁波进行充电［5］。充电电池一般用锂电池，但锂电池稳定性较差，在有易燃易爆气体及物品的环境中采用镍氢等电池。

(3)LED电路

一个LED与一个电阻串联后组成一个基本单元，若干个基本单元之间可以采用串联、并联、混联的方式进行连接;多个LED以阵列的形式安装在一块平面上组成LED点阵屏，点阵屏有各种颜色，分为单色、双色、三色。把LED呈矩阵状均匀布满于柔性电路板上，可以排列组合成指标或警示性的图标发光显示［6］。

LED控制电路采用微处理器控制电路，以遥控控制系统、触摸控制系统、轻触开关来控制系统实现，简单的可以直接用微型按钮开关控制电源。LED驱动电路可采用分立元件驱动电路、集成驱动电路。

(4)封装

外封装透明胶套用于保护整个非接触供电式LED发光标志牌的电路，把整个非接触供电LED发光标志牌电路牢靠包封在外封装透明胶套内，无任何接口，因此本文所述的非接触供电LED发光标志牌具有高度可靠的防水、防漏气性能。本标志牌还可以根据用户需要，制做成不同形状，进行单面、双面、多面发光显示。

3.1.2 LED矿灯

据有关资料统计，煤矿井下瓦斯爆炸事故有三分之一以上是矿灯故障引起的，这主要是由于矿灯所使用的白炽灯泡存在的缺陷所造成的。而LED矿灯解决了白炽灯泡的安全隐患，在煤矿上大量推广使用。LED矿灯在节能、安全性、易用性等方面与采用白炽灯的矿灯相比都有较大改进，但还存在着以下问题需要解决。

矿井下潮湿、多水、空气混浊、灰尘大，LED矿灯采用了镍氢电池或锂电池为电源，LED发光二极管为光源，这些元件一但进水、进入灰尘后就易损坏，甚至报废。闭锁螺丝受潮后会生锈，难以卸掉，须将螺栓废掉，浪费材料费和工时。充电接口经常进灰堵塞，尤其水泥进到充电接口凝固后就很难去掉，影响LED矿灯充电，严重的就可能报废。

本设计把电能接收端置入LED矿灯，用透明胶套把LED矿灯牢靠密封，采用非接触供电技术，就可以解决上述问题。提高了LED矿灯的使用寿命、防爆性能、抗静电性能，降低了LED矿灯的报废率，减少了维修量，增加了实用性和安全可靠系数。

3.2 系统分析与构成

对使用非接触供电技术的LED发光设备的设计，要从三个角度考虑完成系统的设计:一是从器件的选择、电路设计上尽可能的提高系统的效率;二是嵌入非接触式的RFID(RadioFrequency Identification，射频识别)技术，实现ID认证机制，保证系统的安全;三是采用MCU(Micro Control Unit，微控制器)作核心的部分，产生驱动电路所需的振荡频率，同时也需要控制RFID组件与电能接收端进行信息交互。使供电端与用电端可以用一对一、一对多、多对一、多对多和网络分布方式供电［3］。

系统由供电部分及工作部分组成 (如图4所示)。供电部分由MCU和供电单元组成，MCU通过RFID发射单元检测负载位置的情况，当负载存在时，开通供电单元，进行供电。工作部分由 MCU、与电能发送端相对应的RFID组件、LED单元、受电单元和充电电池组成，受电单元主要实现电能的接收，受电线圈接收电能，通过整流、滤波处理后向电池和LED单元供电。MCU的外围电路包括复位电路、参考电压电路、串口下载电路、电源与接地、按键、报警等。系统的人机对话界面，通过显示模块来实现。工作部分、供电部分、供电管理、按键、显示等功能都由MCU进行控制［7］。

图4 用非接触供电技术的LED发光设备结构框图

实现使用非接触供电技术的LED发光设备的方案是上述的整合，即两部分构成，分别为接220V交流电的电能发送端和给LED发光设备电池充电的电能接收端。将待充电LED发光设备放到充电器上，打开设在电源端的充电开关，电能发送端发出验证信息，电能接收端收到验证信息后发出确认信息，身份验证通过后，则控制驱动电路开始工作，实现电能的传输。

4 结束语

对使用非接触供电技术的LED发光设备的设计，首先应设定系统预计达到的各项指标，作为测试使用非接触供电技术的LED发光设备理论依据。通过不断的测试系统、分析测试结果，提出改进措施，最终使系统达到预设指标。要考虑LED光学特性，发挥LED色彩多样性的特点，设计出合理的供电电源及控制电路，提高LED发光设备的稳定性，提高电源的效率［8］。控制电路要向集中控制，模块化，系统可扩展性方面发展设计等。由于方便、完全密封等特点，此类使用非接触供电技术的LED发光设备将会有很大的应用空间。

［1］杨清德，康娅.LED及其工程应用 ［M］.北京:人民邮电出版社，2007.7～25.

［2］陈坚.一种无接触式充电电路的研究 ［D］.杭州:浙江大学，2005.1～61.

［3］王晓静.基于 RFID技术的无线充电系统研究 ［D］.北京:北京邮电大学，2008.4～45.

［4］朱斯忠. 无 线 供 电 ［EB/OL］http://www.wirelesspower.cn/，2009－9－1/2009－11－20.

［5］古人.易用的三端无线供电芯片组VOX05MP01和VOXR10D ［J］.无线电，2009(9):72～73.

［6］周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2006.73～302.

［7］武文君.植入式电子装置经皮感应充电系统设计［D］.天津:天津大学，2006.3～21.

［8］朱继红.LED在景观照明中的基本混光方式 ［J］.照明工程学报，2008(3):26～29.