无线传能LED技术的设计要点

2016-07-05张青聂丛伟

科技风 2016年18期

张青聂丛伟

摘要：LED作为第四代新型固态宽光谱照明光源，具有光效高、色温覆盖广、显色指数高，设计灵活等诸多优点，正在逐步代替传统照明灯具。本文以无线传能（WPT）应用于LED照明的集合技术为出发点，主要阐释了基于电磁感应原理的电磁场传能的相关技术，包括负载侦测技术、电磁场耦合技术、功能调整技术等，实现其对LED照明的无线传能技术。同时针对特定应用方向，还简单介绍了光源的组合技术，配合技术，热设计技术以及与WPT相关的驱动技术。同时在技术研究的基础上，探讨基于WPT的LED照明产品的电气、机械接口技术标准，推动了行业的技术进步。

关键词：无线传能；LED；设计要点

无线能量传输技术（WPT），又称无接触能量传输（Contactless Power Transmission， CPT）技术，即以非接触的无线方式实现电源与用电设备之间的能量传输。目前，无线传能技术主要有电磁感应、磁共振、电场耦合和无线电波传输四种形式，它们的能量传输方式、效率以及传输的距离各不相同，其中电磁耦合方式由于实现与控制相对简单，成为近距离、中小功率传输主流的方式，其能量传输效率达到70%以上。目前WPT技术和产品已经在手机及小型家电的充电方面得到应用，大功率WPT技术进展迅速，在电动汽车充电方面的研究也逐渐变热，但在LED照明领域，目前尚没有应用。

一、国内外无线传能技术比较

国外在无线传能技术方面研究较早。1890年，著名物理学家，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）提出无线传能这一构想后，逐渐吸引了很多著名大学，科研机构，公司投入这方面的研究开发。2007年，麻省理工（MIT）用两米外的一个电源，“隔空”点亮了一盏60瓦的灯泡。2012年9月5号，手机通信厂商诺基亚联合微软发布了一款能够实现无线充电的手机。目前，奔驰，宝马，奥迪等汽车厂家及通信公司高通等正在研究电动汽车的无线充电技術。另外，消费电子领域的手机，音乐播放器充电，以及物联网众多的智能终端，体内诊疗设备比如心脏起搏器，除颤器等的充电问题都引入这一技术。

我国在无线传能技术领域起步较晚。1994年，电子科大的林为干院士第一次将微波传能技术引进到国内；2010年，无线充电联盟在北京正式将Qi无线充电技术引入中国。目前，国内有一些高校及公司在进行这方面的研究，主要的产品应用领域还集中在消费类电子产品领域（如电动牙刷、电动剃须、MP3充电等），在LED照明方面还没有相关报道。

二、无线传能的LED技术

随着LED技术的进步，商品化的LED光源的发光效率已到达140-160lm/W，单灯功率大幅度下降，体积不断缩小，人们的目光已从单纯的追求LED发光效率的提升，逐步向LED灯具的其他性能转移，如光谱的安全性、舒适性，灯具的便携性、安全性及快速安装维护等方面扩展。

现行的LED灯具由光源部分与驱动电源两部分构成，电气连接多采用开关、簧片触点或者接线端子等方式，在长期多次使用或在潮湿、振动等恶劣环境下，开关触点部分会发生氧化，导致触点接触电阻增大引起高温发热甚至打火导致火灾，据统计，由灯具引起的火灾，80%以上就是这些因素造成的。而驱动电源的高压部分，在潮湿环境中（如浴室、游泳池、水景等）电回路的裸露也易引起触电事故，必须做好电气隔离防护。在其他一些特定的恶劣环境中，比如矿井中使用的灯具，为避免开关打火导致瓦斯爆炸，有很高的防爆、防水等要求，电线引入结构也会使灯具产生较高的成本，现场维护成本更高。另外，由于灯具是一体结构，当出现故障时，需要现场断电，整体更换或现场维修，而这又对现场维护人员的素质提出了比较高的要求。

三、无线传能的LED技术的设计要点

将无线传能与LED照明相结合，充分发挥LED效率高，设计灵活的特点，减少因漏电引起的触电事故，减少火灾的发生，可实现非专业人员的快速替换，同时提高使用的灵活性。无线传能LED灯具必将是继无线传能技术在消费电子产品应用快速发展后迅速崛起的产业。

主要设计要点包括：

（一）近距离、中小功率无线传能技术

基于照明系统的特点，研究电磁耦合方式磁共振方式的无线传能技术，设计高电压的传能系统和标准（QI）传能系统。具体为：

a.铁氧体材料的特性和选择；

b.磁场控制技术：主要研究磁场约束技术，提高耦合效率；

c.交变磁场的设计和产生技术：单方向交变磁场和往复交变磁场的产生和对传能效率的影响；

d.负载侦测技术：研究主动式和被动式负载侦测技术；

e.在传能系统中的信号传输技术：灯的工作状态信号的回传技术和通过传能系统对灯状态的控制；

（二）LED照明灯具的设计研究

基于无线传能供电系统，研究安全电压下的光源可快速更换的高效率、高舒适度的LED光源。具体为：