LED照明智能控制主要技术难点分析

　　根据2011美国能源部楼宇手册能耗数据，商业用电中照明能耗所占比重最大，达到26%左右，如图1所示。过高的能耗造成了温室效应、资源枯竭等诸多问题，传统室内照明灯如白炽灯、卤素灯、荧光灯等因为其能效低已逐步进入淘汰边缘，节能灯也因为寿命和污染问题无法成为下一代照明的主体。LED照明以其节能、长寿命、环境友好等优点已被广泛用于液晶显示屏背光照明、全彩大屏幕显示、交通信号灯、景观照明等。LED灯未来有望逐步取代传统照明光源而成为室外和室内照明的主体。

图1 2011美国能源部楼宇手册能耗数据

　　LED照明智能控制技术是利用智能控制系统使LED根据场景、环境进行自动调光，并且可以实时监控LED运行状态的技术，其充分利用了LED的半导体器件性质，具有以下优点：第一，采用集中式直接DC驱动，不存在驱动可靠性和寿命问题;第二，多个LED灯组成系统，相互协调，整体更加节能，真正凸显LED灯的节能特性，实际使用成本短期内可明显下降;第三，提供更加灵活和自动化的节能策略，减轻LED的散热压力;第四，同时能够利用LED的半导体芯片特性，使其作为信息传递的载体。

　　LED照明智能控制技术能够帮助LED灯进入室内照明应用的广阔市场，在LED照明的普及过程中发挥关键的作用。

　　LED照明智能控制技术的技术难点主要包括LED调光下的光效保持研究、LED精细调光技术、LED和驱动IC及智能IC的集成研究、LED调光下的色温保持研究、LED调光下荧光粉的效率研究、LED调光和光衰关系的研究、LED调光和显色指数关系的研究以及LED对人体健康影响的研究等方面。

　　LED照明智能控制技术的核心目标和理念是使LED更加节能，虽然自动调光可以根据场景和环境使LED光功率输出总体减小，但同时会影响LED器件的光电效率。针对LED调光下的光效保持研究，丹麦奥尔堡大学的研究团队发现采用不同的LED调光驱动方式可以对光效的降低进行补偿，其认为采用AM(幅度调制)和PWM(脉宽调制)的混合方式能够得到较高的调光时光效，如图2所示。

图2 丹麦奥尔堡大学LED调光下的光效保持研究

　　自动调光时如采用粗放式简单模拟调光，将无法满足用户希望平滑调光、使视觉更舒适的要求。LED作为半导体器件，具有可精细调光的能力。美国德州仪器研究院已开发出数字多阶调光的LED驱动芯片，支持平滑调节和多达上万个台阶的驱动方式。

　　LED芯片和LED驱动芯片、智能IC芯片同属于低压半导体微电子芯片，以上三种芯片的集成封装可以满足用户的智能化要求，可以有效降低成本和减小芯片体积。意大利比萨大学团队对该内容进行了研究，利用半导体芯片键合技术研制出集成封装的样片，如图3所示。

图3 意大利比萨大学对LED芯片和驱动、智能IC集成的研究

　　不同的照明光源色温影响人的工作和生活效率，LED调光下色温会随之发生漂移，美国伦斯勒学院对LED调光下的色温保持进行了研究，认为利用数字化自动补偿技术可以降低调光对LED色温漂移的影响，如图4所示。

图4 伦斯勒学院对LED调光下色温保持的研究

　　蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光是目前LED照明的主流低成本方案，但荧光粉效率会随LED的调光发生变化，法国克莱蒙费朗化学研究所对用于智能照明中的LED荧光粉光效进行了研究，研制出一种添加新组分补偿荧光粉光效的配比方案，如图5、6所示。

图5 法国克莱蒙费朗化学研究所对用于智能照明中LED荧光粉光效的研究

图6 法国克莱蒙费朗化学研究所对用于智能照明中LED荧光粉光效的研究

　　频繁长期的LED调光可能会使LED发生光衰，日亚公司研究院进行了长期调制LED对光衰影响的研究，目前已开发出光衰基本不受LED调光影响的芯片。

　　显色指数在摄影照明中非常重要，影响物体的真实色彩还原度，美国伦斯勒学院对LED调光和显色指数的关系进行了研究，利用附加控制芯片使LED的显色指数在一定时间内调光保持不变。

　　人体经过百万年的进化，其健康、情绪与光照息息相关，不同色彩、饱和度和强度的光照对人体都有一定程度的影响，美国伦斯勒学院对光照与人体健康的关系进行了研究，认为营造好的光照条件可以使人体舒适和情绪饱满，提升人的生活质量和工作效率，如图7所示。

图7 伦斯勒学院对光照与人体健康关系的研究

　　从以上介绍可以看出，国内外已有多家研究机构和企业进行了LED照明智能控制相关技术难点的研究，其发展趋势是更加自动化、与人的联系和界面更加友好，LED照明智能控制技术已成为国际国内研究的热点。预期该项技术能够大大加快LED灯进入千家万户的进程，同时为室内信息的交互提供“智慧”载体，预期存在广阔的应用和产业化前景，具有巨大的社会和经济效益。（本文选自《半导体照明》杂志第39期）