大功率LED道路照明光源调光方案的研究

杨 光

(中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥230029)

0 引言

商品化的、发光效率大于100 lm/W的照明级高亮度白光LED(HBW-LED，以下简称为LED)技术的飞速发展，为第四代照明带来了前所未有的机遇，是一种具有广阔应用前景、性能优良的道路照明光源。

虽然如此，应该看到在实际使用中，人们不仅对道路照明的现场环境、照明舒适度以及照明节能的要求越来越高，而且对品种丰富多样、功率越来越大的LED道路照明光源的光输出特性要求也不同。主要体现在以下两个方面:一是道路照明光环境的多样性，即从单一的照明时段的光源全功率输出到根据需求不同时段的可变光强度的输出;二是道路照明节能的要求，即从整个照明时段的全功率照明到某些时段的减功率照明，如此一来既可以满足道路安全的要求，又可以节约大量的能源。

因此，针对上述的两点，需要对在不同照明模式下的LED道路照明光源的调光方案进行专门的研究。

1 LED道路灯具的调光特性分析

无论是从当前道路照明的角度出发还是从节能方面的考量，LED道路照明的调光需求都是合理且必要的。由于LED器件自身固有的特性，调光的问题不仅是造成光输出量减少的单一变化，而且会带来一系列相关联的特性改变。主要的相互关联有LED芯片的发热温升、出光效率、使用寿命的变化，以及照明光源的光输出特性、道路的照明效果、驱动器工作特性、寿命变化等一系列的问题。

1.1 LED道路照明光源的调光模式

从实际使用的角度来看，LED道路照明光源的调光模式主要分为有级型和无级型两大类，具体的分析如下:

1.1.1 LED的有级型调光模式

LED的有级型调光是最常见的，也是最简单、使用最方便的调光方式。

鉴于单片封装LED的功率的相对较小及光源整体散热的限制，LED道路照明光源一般采用多单元的阵列结构。每一个LED单元都具有独立的配光特性，采用在驱动器的输出制式的配合下，单元分组调光的这种最简单的形式，或者借鉴传统道路照明调光方式的路灯间隔照明的减光方式。不仅如此，依据LED道路照明光源调光对其光输出特性的影响，又可以细分为以下几种:

(1)LED单元的均匀分组调光

对于具有满足道路照明要求光输出特性的LED单元，其均匀分组调光只改变道路照明光源光输出强度的大小，几乎不改变其光输出的特性，因此可以获得调光前后一致的整体光输出特性，是一种较为优良的调光方式。在驱动器的配合下，可以实现多档调光。

图1给出了在同一道路照明光源内多单元LED(在采用透镜配光的、单一的LED单元就能够满足配光特性要求的前提下)的调光原理及光源内LED单元均匀分组排列的结构示意(一种样式)。由此可以得出，调光前后的对比只是改变光源光强输出的大小而不改变本身的配光特性，因此调光的效果是比较理想的，只是调节明暗的平滑度稍差，不能随意地调节。

(2)LED单元的非均匀分组调光

同一道路光源内LED单元的非均匀分组调光主要是，其中的每个LED单元分别担任不同的光输出角色，总体作用来形成满足配光要求的光输出特性，具有构成简单、操控方便等特点。通过LED单元的非均匀分组排列的形式来获得在调光模式下的、需要强调或保证的道路照明效果。图2给出了这种调光原理及调光前后的LED单元组亮灭的变化情况。例如，城市道路照明中的前、后半夜需要不同的照明模式:前半夜为主、次车道全照明模式(组1+组2)，以保障主/快车道及次/慢车道的交通安全;后半夜交通流量很小，仅为主/快车道的道路照明模式(组2)。

图1 LED单元均匀分组调光原理及排列示意

图2 LED单元的非均匀分组调光原理及排列示意

由此可见，在同样的照明光源功率下，这种调光的方式较图1来说就显得更为简单明了。

(3)LED道路光源的间隔调光

LED道路照明光源的间隔调光是仿照传统道路照明(如HPS路灯)的调光方式，通过开闭相隔的光源来达到调光/减光的目的，方法简易、操控方便。虽然单个光源的光输出特性、照明效果、芯片的发热量、出光效率、使用寿命以及驱动器特性、使用寿命等在调光前后没有变化，并且也能够获得很高的节能效果(50%)，但是其致命的缺点是对总体道路照明的光照均匀度影响较大，易形成照明暗区即所谓的“斑马效应”，严重影响到道路的行车安全，达不到国家对道路照明的规范要求，因此只适宜于对照明要求不太严格的次/慢车道和小道上使用。

1.1.2 LED的无级型调光模式

LED道路照明的无级型调光方式是一种比较理想的、在一定范围内随意平滑的调光方式。其主要特点是:参与调光的每个LED单元的工作状态不再是只有亮和灭两种状态，而是工作于其中的某一中间环节，LED单元按照需要平滑地改变工作状态，使得光源输出的光通量在大范围内自由变化，可以得到良好的道路照明、调光和节能效果。

(1)LED的无级型线性调光

LED的无级型线性调光是基于恒压驱动器的条件下，通过在其输出端串联的线性元件的方式来改变驱动器输出电流的大小值，即调节LED单元的发光亮度。构成的方式有两种:一是串联一可调电阻(手动调节，见图3(a))，二是串联一工作于放大区域的大功率晶体管(可以利用小信号来调节)。由LED的正向电流与光输出的对应关系来看，在允许的范围内，这种对应的关系几乎是线性的。图3给出了这种LED的线性调光的原理和对应关系曲线。

图3 LED无级线性调光原理及对应关系

该方案存在的主要问题是:基于白光LED的特性表明，调光时的色温将发生变化，不适合于对色温要求恒定的照明光源，但是对于不太重要的道路照明可能影响不大，选用时需要慎重考虑。另外输出端引入的线性元件将带来总体损耗的加大、效率的降低。因此不是一种理想的、具有良好效果的道路照明调光方案。

(2)LED的无级型模拟调光

LED的无级型模拟调光是基于恒流的驱动条件下，通过在驱动器的控制端加以直流控制电压(如0～10 V)或电阻等方式来改变驱动器输出电流的大小值，也可以调节道路照明的LED单元的发光强度，对应的关系近似为线性，调光原理、光输出与电阻值对应关系可参见图4所示。具有电路简单、调节时电流的过冲小、效率相对较高。存在的主要问题是:调光时的色温也将发生变化，不适合于对色温要求恒定的照明光源，但是对于不太重要的道路照明可能影响不大。因此是一种较理想的、具有较好效果的道路照明调光方案。

(3)LED的PWM型无级调光

为了解决上述调光方案所带来的诸多不利问题，提高LED道路照明的效果及调光运行的效率，通过利用人眼的暂留视觉特性，在不改变LED瞬时电流的大小的前提下，只改变其输出电流的占空比(即电流有效值改变)，来达到调光的目的，就是一种理想的调光方式。调光的关系式可表述为

式中

图5给出了具体的应用原理、光输出与调光信号占空比的对应关系，可供参照。

其主要的优势是基于白光LED的特性，调光时光源的色温将能够保持不变，因此对道路照明的效果就更为有利;不足之处是调光运行时LED的过冲电流较大，发光效率有所降低，并且整个的电路也较为复杂。

图4 LED无级模拟调光原理及对应关系

图5 LED的PWM调光原理及对应关系

(4)LED交流输入的相控调光

通过采用交流相位调压原理来改变驱动器输入电压的大小来调节LED照明光源的光通量也是一个可行的方案，并且具有通用性。最常用的白炽灯的调光方案是依靠一个成熟的元件晶闸管SCR改变输入交流电压来实现的，但是直接采用晶闸管SCR来对LED调光将会有以下的问题:

一是光源的功率因数问题，SCR的导通角愈小，功率因数就愈低，当调到1/4亮度时，功率因数将低于0.25;二是光源的效率及照明效果，在调光为低点时，LED电流不足，会造成SCR的提早关闭，导致SCR调光器中的RC延时电路的时间发生错乱，造成LED照明光源的闪烁不定。

为此，需要研发出一种能够适用于SCR调光的专用LED照明光源的驱动芯片，用来满足采用常规SCR调光器对LED照明光源的调光要求。文献［4］、［5］给出了这种应用的原理、相应的光输出与输入功率的对应关系(见图6)。

图6 LED的交流输入相控调光原理及对应关系

1.2 LED道路照明的调光特性

由上述的分析可知:LED照明光源的调光问题不仅造成光输出量减少的单一变化，而且会给LED及整个照明光源带来一系列相关联的特性改变，因此需要分别对其调光运行的特性加以研究。

1.2.1 LED的特性变化

由于对LED进行调光的机理就是改变其正向的电流有效值大小，而LED的诸多特性都是与其直接相关联的，因此在调光模式下LED的特性变化主要体现在以下几个方面:

(1)LED的光输出及出光效率

目前，主流的、照明用大功率白色LED的工作原理都是利用蓝光LED激发YAG荧光粉来获得白光的。文献［6］给出了某品牌的蓝光LED(InGaN)的正向电流分别与光输出和出光效率的关系。

由图7可知:蓝光LED的光输出随着正向电流的增加呈近似的线性增加，这说明电流大小与光输出多少成正比，而其光效η=Φ/W(lm/W)则随着正向电流的增加而近似线性下降，原因是其中相当多的能量被晶格吸收转变为热量消耗掉，没有发挥应有的作用。由此可见，由于道路照明的LED在调光运行模式下，电流的减小将带来光输出的减小和出光效率的增大，对LED道路照明的运行有利。再进一步推断:对于上述通过改变LED正向电流来进行调光运作的道路照明模式，照明光源中LED的运行也将处于较为有利的工作条件下;对于采用PWM模式来进行调光的LED由于间断的运行模式也对改善LED的运行条件有利。

图7 LED的电流与光输出、光效率的对应关系

(2)LED的色温变化

在调光运行的模式下，由于白光LED正向电流发生了变化，因此依据不同的调光方式其色温变化情况也不尽相同，具体的分析如下所示。

在图8中，LED的光输出所对应色坐标X和Y的值随着LED正向电流的变化而有规律地变化。调光时LED的电流减小，此时X值增大，Y值减小，从而导致人们不希望的色温变化的出现。对于采用PWM调光模式运行的情况，由于LED工作时的瞬时电流不变，因而可以较好地解决色温的偏移问题，但是发光的效率有所降低。归纳起来就是，白光LED在道路照明应用时，采用何种调光模式，需要基于道路照明的要求并根据人们对调光时白光LED电流减小导致色温变化(红移)的适用性(主要是辨识障碍物的能力)及容忍性的大小等来进行选择。

图8 LED的色坐标与正向电流的对应关系

(3)LED芯片的温升和寿命

LED芯片的工作温升与其使用寿命有着直接的关系。相对而言，温升越低，其使用的寿命就越长。例如，当LED芯片温度达45℃时，LED的使用寿命为1×106h，而温度在105℃时，其寿命锐减为2×105h。在道路照明中，由于室外的环境条件较为恶劣，位于光源内(温度在80～90℃以上)LED的温度较高，极端条件下几乎接近于其所允许的最高范围，因此散热问题是LED道路照明的核心问题之一，需要下工夫来解决。具体可参见图9所示。

图9 LED的温升与寿命的对应关系

基于此，在调光运行模式下LED所具有的较低运行温度对于提高其使用寿命是非常有益的。

1.2.2 LED驱动器的特性及寿命

要使LED道路照明能够有效地发挥其固有的优势，驱动器的性能至关重要，也就是说驱动器性能的优劣直接关系到LED道路照明的使用和照明效果。由于道路照明环境的严酷性和高可靠性的要求，通常驱动器需要具备以下的基本性能。1)输出余量:20～40%;2)输入电压:90～305VAC;3)效率:80～92%;4)功率因数:0.90～0.99;5)多级驱动隔离;6)50 000 h耐久性测试;7)8 000 kV浪涌测试;8)内外部防雷系统;9)防水等级:IP67—68。

特别是在要求调光的情形下，LED的表现更直接受制于驱动器的性能优劣。目前对LED器件及道路照明配光特性研究的文献较多，而对其在实际照明光源条件下的工作条件、整体输出特性可靠性及使用寿命等的研究相对较少。经统计显示，影响LED驱动电源寿命的一大主要因素是输入滤波电解电容器在道路照明光源内高温环境下(80～90℃)的有效寿命问题，一般规律是:使用的环境温度每升高10℃，电解电容器寿命将会减少一半。通常电解电容器的使用寿命在5 000 h以下，并且与使用的环境温度有很大关系。虽然目前市场上有一种105℃的高温电解电容器的标称寿命为1×105h，并且在85℃环境下理论工作寿命可达4×105h。按每天LED照明光源工作12 h来计算，理论上可用10年，但是其造价较高，并且不同厂家的产品差异也较大。基于此，研究减少直至取消电解电容器的LED驱动器是一课题方向。

文献［9］分别给出了基于某种特定产品的LED驱动器的使用寿命与温度的关系、驱动器输出功率与其温升的关系(见图10)。

图10 LED驱动器的寿命与环境温度、输出功率与外壳温度的对应关系

由图10可知，LED驱动器的工作寿命与其温度呈现出较大的衰减特性。在调光运行的条件下，由于LED负载变轻导致驱动器输出功率降低，其内部开关等器件的温升较低，因此从使用的角度来考量调光运行对驱动器的使用寿命有利，即能够在较大的程度上提高其使用寿命，但是从其整体效率来说，由于输出功率的减小(特别是在调光的最小输出状态下)，而其自身功耗的减小程度相对输出功率来说比较小，因此将造成其整体效率的下降，这需要特别注意。

1.2.3 LED光源的光输出特性及道路照明效果

一般来说，LED道路照明光源的光输出特性是依据道路照明规范的要求来确定的。在LED道路照明光源光输出特性的设计上，主要是采用LED的一次配光(自身的封装透镜形成LED器件)、二次配光(外加配光透镜形成LED单元)和三次配光(光源内安装的排列方式)或其中的一、二次配光方式来获得满意的道路照明效果。而在调光的运行模式下，LED光源的光输出特性及道路照明效果就变得较为复杂，要分别加以分析。

(1)LED道路光源的光输出特性

对于满足道路照明要求的、具有独立的光输出特性的单个LED(单元)而言，有两种情况需要考察:

一是采用无级调光(线性、模拟或PWM)的方式，即所有LED均参与调光，调光的结果只改变光源的整体光输出的大小，而不改变其光输出的特性，因此是一种理想的调光方式;二是通过LED(单元)来分组调光的情形，由于不是每个LED(单元)都参与调光运行的，因此调光后的光源的光输出特性是改变的，此时光源的光输出特性有可能不能满足道路照明的相关要求，需要分门别类地加以认真考虑和选择。

(2)LED道路光源的照明效果

在上述(1)中提出，在调光模式下LED道路照明光源的配光曲线有可能发生改变，而光源的光输出特性对道路照明的效果起到决定性的作用，因此撇开采用间隔照明在道路上形成的连续暗区、严重影响道路交通安全不说，单单就上述的具有不同的光输出特性的LED道路照明光源来说，光源的光输出特性都是在全功率输出条件下获得的，因此凡是调光后光输出特性改变的，不管改变多少，程度如何，对道路的照明都存在着一定的影响。因此，LED道路照明的调光问题是一个综合性的问题，实际运用时应该以保证道路的照明效果和交通安全为前提，不能为了节能而节能，忽视了道路的交通安全，否则的话将是得不偿失的。

2 小结

总之，社会经济及城市化进程的快速发展，使得LED道路照明在实际使用过程中，人们不仅满足于对其光输出特性的要求，而且对道路照明光源所提供的照明品质、照明环境、照明舒适度和照明节能等也提出了更高的要求，特别是对LED道路照明条件下的交通安全、治安环境等要求也很高。这就要分别加以认真分析和仔细研究。特别是要依据不同调光方式下LED道路照明光源所具有的各自特点以及相适用的道路照明现场环境，来对LED道路照明光源的设计进行改进和优化。这样一来，对今后LED道路照明光源大范围的推广和应用都具有积极的意义。

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