LED照明应用现状特征及驱动技术发展综述

胡 进，吕征宇，林辉品，靳晓光

（浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

与传统的热发光光源、气体放电灯相比，以LED为代表的固态照明SSL（solid state lighting）并非新光源。数十年前，由于蓝光LED技术的瓶颈，对于照明应用有重要意义的多种光谱合成的白光LED技术没有获得突破。因此与传统光源相比，LED的光效及价格并没有明显优势,更多应用于信号显示以及小功率的装饰照明。自20世纪末蓝光LED技术获得突破以来，大功率的白光LED照明技术取得了巨大进步，光效不断提高，成本不断下降。文献[1-4]较好地总结了LED的发展历史。近十年来，大功率LED成功进入通用照明领域，开始逐渐代替小功率的白炽灯、卤钨灯与紧凑型荧光灯，市场占有率不断提高，这些成果印证了学术界与工业界的众多学者、专家与企业家的预言[4-5]。

LED快速发展中，对LED的应用的需求在不断变化，其性能指标也在不断进步。对LED大量照明应用与文献进行回顾和分析，是把握LED照明应用发展趋势的基础，也是研究LED驱动技术的前提条件。因此，本文通过对应用的分析和总结，归纳出LED与其他光源并存、定制化与标准化并存、网络化控制兴起等应用上的典型特征。根据这些典型特征，分析了其对应的驱动技术，提出了高适应性LED驱动技术的思路，使驱动技术能符合LED应用的发展趋势。

1 LED照明发展现状的典型特征

1.1 LED与其他光源并存

近年来LED得到了快速发展，其光效快速提高、成本持续下降。以球泡灯为例，根据美国能源情报署EIA（U.S energy information administration）的报告，近年来LED球泡灯光效发展情况如图1所示，LED球泡灯的平均光效已经接近100 lm/W，超过紧凑型荧光灯CFL（compact fluorescent lamp）的平均水平50～70 lm/W，远远超过白炽灯近20 lm/W的光效水平[6]。而其价格与光效发展趋势如图2所示，2020年左右可能会达到150 lm/W，并在价格上快速降低，接近紧凑型荧光灯和白炽灯（incandescent lamp）的价格[7]。

图1 近年来LED球泡灯光效发展情况Fig.1 Development of LED bulb's lighting efficiency in recent years

图2 LED球泡灯光效与价格发展趋势Fig.2 Trend of LED bulb’s lighting efficiency and cost

随着技术工艺的发展，传统光源的光效或许会略有提高。例如，管型荧光灯从T12型发展到普遍应用的T8型，再到现在开始大量应用的T5型，光效可达104 lm/W[8]，由于其价格低廉，寿命较长，且有大量存量灯具，仍然具有相当市场。又例如，飞利浦照明近年推出了科思茂（Cosmo）光源，光效可以达到120 lm/W[9]，这是HID类光源继续创新的成果。但是与LED快速提高的光效趋势相比，传统光源的光效变化较缓慢，而LED的理论光效可以超过200 lm/W[10]。Cree公司2013年LED光效的实验室数据突破了276 lm/W，2014年达到了303 lm/W[11]。从理论研究和产品的光效数据看，LED具有非常诱人的应用前景。图3列出了常见光源的光效典型数据[12]。

图3 常见光源光效比较Fig.3 Comparison of lighting efficiency among different lighting sources

上述材料表明，尽管LED由于高光效以及理论长寿命的特点而备受关注，但是传统光源的应用仍然不可忽视。这种现状是在通用照明领域应用中，LED与各种传统光源并存，而且相当大的可能是长期并存。主要有如下3种原因。

（1）从光效角度，尽管LED有非常好的发展趋势，但与传统光源相比，在大功率应用中，LED的光效目前并没有明显优势。例如高压钠灯，在400 W级别，光效可以达到140 lm/W；600 W级别，光效可达150 lm/W[13-15]，散热条件没有LED苛刻，驱动简单，价格更加便宜。技术、可靠性及价格等因素往往是制约LED市场推广的瓶颈[16-18]。在小功率应用领域，LED的价格已经接近荧光灯水平，未来有进一步下探的趋势。

（2）光源的应用并非只看光效一个指标，而是根据使用要求选择不同特点的光源。从照明光源发展的历史来看，如果仅看光效等单一指标，很多光源似乎早就可以被淘汰，但是直到今天还在使用。以白炽灯与卤钨灯这一类热致发光光源为例，尽管它们的光效非常低，且近年来在通用照明领域白炽灯开始被淘汰，但是由于这一类光源具有显色性好、价格极其低廉、生产简单、应用方便等特点，并没有完全退出市场，而在装饰照明、汽车照明等领域以及一些显色性要求高的领域这一类光源仍然继续被使用；其他的如汞灯、低压钠灯等HID光源，尽管显色性低，也并未完全退出市场。这些例子说明，不同的光源有其自身的特点，在应用中要考虑到价格、可靠性、显色性、温度、光效及形状等多种因素，用LED将其他光源在所有应用中完全替代是不合理的。

（3）传统灯具广泛使用于室内、室外。目前有大量已使用灯具，他们有的甚至与使用环境关系密切，普遍更换LED显得既不经济也不合理。市场上售出的大量卤钨灯、气体放电灯等光源还是使用在已有灯具上。

1.2 标准化与定制化并存

单颗LED为点光源，较为常见的功率规格为1 W、3 W、5 W等。由多颗LED组合而成的负载有利于灵活地配光设计，其工艺、散热等技术也较为成熟，获得了广泛应用。但是由于多颗LED的串并联方式有很多种，使得负载的标准化设计非常困难。同样，负载的多样性，使得驱动电源的设计也变得非常复杂。往往同样颗粒数的负载，由于LED颗粒串并联组合方式的不同，要求的驱动方案完全不同，这使得大量LED驱动电源以定制化的方式设计。目前，大部分LED企业生产的LED驱动电源型号，少则数十种，多则数百种。这种情况需要企业投入大量的资源在研发、生产管理、产品维护上，不利于LED驱动电源降低成本，也不利于产品一致性和稳定性的提高，同时制约了企业的规模化生产和市场推广。

为了便于大规模生产与商业应用，设计标准化的LED光源及其驱动电源的研究与推广一直在进行。一系列国内外的LED相关标准的制定表明学术界与工业界对于LED产业规范化与标准化的重视与推进[19，20]；在市场应用中，典型的如T8LED日光灯、MR16、球泡灯等LED光源及驱动电源的获得了广泛认同[21-23]。尽管如此，由于LED的一大优势是灯具设计灵活，在通用照明、景观照明等应用中很难将其全部做成标准化产品，因此，LED定制化与标准化并存的特点可能长期存在。这也意味着，定制化的、种类繁多的LED驱动电源仍然有强大的需求。

1.3 网络化控制兴起

基于网络控制的照明电子技术在20世纪就被提出，国际上对这一技术的研发从未止步。近年来，物联网与互联网+等概念的兴起使得人们开始重视其在照明领域的应用[24]。从智能家居、智能景观灯、智能路灯等研究和产品的推广可以看出，人们将照明的传统应用赋予了新的生命[25-27]。同样地，伴随着LED的快速发展，基于网络化控制的LED照明也开始在学术界与工业界获得广泛关注[28-29]。

网络化控制的LED驱动一般认为是利用计算机技术与信息电子技术，实现对LED驱动电源的远程控制。典型的网络化控制LED照明系统架构如图4中所示。通信技术主要有以下3个层级：

（1）第1层级是LED驱动电源与通信设备之间的通信，主要完成通信设备对LED驱动电源的控制。这一层级通信技术取决于LED电源的通信接口。一般有模拟和数字两类通信接口。

第一类是模拟接口，常见的有0～10 V、PWM等调光通信接口，这是最早在电子镇流器上应用的成熟的通信标准，现在仍然普遍用于LED驱动电源，一般采用模拟电路实现该接口[30，31]。

图4 典型的网络化控制LED照明系统示意Fig.4 Schematic of typical network controlled LED lighting system

第2类是数字接口。典型的是数字可寻址照明接口DALI（digital addressable lighting interface）通信方案[32,33]。20世纪90年代，飞利浦、Osram等国际著名照明公司联合提出并完善了该方案，使其标准化，进入了EN60929。这一标准经过长期使用，已经验证了该技术的成熟性。采用该接口的网络化系统可以定义丰富的功能，对网络内每一台LED驱动电源进行通信，由驱动电源执行。一些主流IC厂商提供了方案，一般在驱动电源内通过数字芯片实现。采用这种数字接口的驱动电源，已经初步具备了数字化的特点，但是其主要功能是为了实现数字通信，并未充分发挥其对驱动电源数字化智能控制的潜能。

（2）第2层级是通信设备之间的通信，主要是实现通信设备的组网。实现组网有如下几种通信方案：①是采用485通信接口、DALI通信接口的有线通信方案[34]，这种方式在应用中存在诸多不便，除了需要提供能量的市电线路，还需要专门的有线通信线路，一般应用于室内照明，多用于商业办公场所，对于已建成的照明设施和户外路灯等应用改造非常困难。②是低压交流电力线载波，一般简称电力线载波[35-36]。与有线通信方式相比，电力线载波通信方案使得组网节省了专用的数字通信线路，电力线载波技术对通信的发展做出了贡献，在室内照明应用上，由于对成本较敏感，电力线载波方案似乎没有得到有效推广；在户外应用中，由于电子镇流器与LED驱动电源的推广滞后，该方案也没有大规模应用，而且在户外环境中，载波通信受电缆线路制约，在电缆线路损坏、维修、变更情况下的维护不易，其实用性需要更多的检验。③是微功率无线通信。近年来越来越多的人对照明设备的无线控制进行了研究和应用推广。有代表性的是ZIGBEE通信技术[37,38]。但是与电力线载波技术类似，室内应用的成本较高，户外应用也少见规模化成熟案例，有待进一步研究与验证。

此外还有WIFI[39]、蓝牙[40]以及红外通信[41]等通信方案，在当前互联网时代，在室内照明领域出现了不少类似应用。

（3）第3个层级是通信设备与互联网的通信，主要是实现服务器对形成组网的LED驱动电源的自动控制或者人工控制，一般取决于移动互联网与计算机技术的发展。过去十几年间，移动通讯2G到4G的进步、光纤通讯技术的进步、云存储与云计算的出现，都促使了网络化控制LED照明的发展[42-44]。

2 适应LED照明应用现状的驱动

2.1 适应多光源并存的LED驱动技术

多光源满足了人们不同层次、不同场合的照明需求，但是也给应用带来了不便。在很多应用环境中，多种光源同时使用，需要人们掌握不同的安装、维护技能。如何降低应用难度一直是推广LED应用的需求。

在消费电子领域，多功能产品已被市场接受，例如充电器[45]、镇流器[46]等。在工业电子领域，多功能电源，如充电器、UPS、逆变器[47-49]能适应不同应用环境，使用更加便利。在照明领域，LED与其他光源的高适应性驱动方案是适应多光源现状的一种思路。这种驱动电源能适应多光源并存的现状，降低应用难度，满足一定的市场需求。例如，在LED替换一些老旧荧光灯的应用中，由于灯具不兼容、镇流器不兼容，往往需要将灯具、光源与镇流器全部替换，增加了替换成本与难度。文献[50]提出是用原荧光灯灯具与镇流器直接安装LED驱动电源和LED光源，要求LED驱动电源能够与荧光灯镇流器兼容，如图5所示。方案中LED驱动器的输入为原荧光灯电子镇流器的高频输出，而LED驱动器与LED负载可集成在一起，可保证在不更换原有灯具情况下替换荧光灯。文献[51-52]提出了LED与HID能兼容驱动的镇流器，类似其他应用在工业电子和消费电子领域都得到了验证；文献[53]提出了一种兼容HPS与LED的驱动技术，并进行了进一步的探索，其原理如图6所示。为实现高效率，HPS与LED常分别用LCC与LLC半桥谐振变换器作为驱动电路，根据柔性变拓扑相关理论[54-55]，通过用开关S1与S2切换实现了一个可变谐振腔，复用了大部分主功率电路与控制电路，使得兼容的成本降低。该谐振腔可根据负载不同而变化为不同的结构，同时保留了原谐振变换器的软开关特性与调光功能，数模混控的控制电路，也有利于实现数字通信。

图5 一种兼容LED与荧光灯的驱动方案Fig.5 Compatible driving solution for LED and fluorescent lamp

图6 一种兼容LED与HPS的驱动器Fig.6 Compatible driver for LED and HPS

2.2 适应标准化与定制化并存现状下LED驱动技术的发展思路

随着标准化与市场推广的进程，很多LED驱动器已经趋于标准化，其技术指标、电路方案差异性不大。小功率隔离产品以反激拓扑为主，中大功率隔离产品中PFC+半桥谐振电路的方案较为常见，非隔离产品以各种DC/DC拓扑为主，此外还有大量低成本线性电源方案。这类的产品会由于元器件发展、激烈市场竞争等因素受到越来越多的限制，可能变得像节能灯那样，研发门槛降低，越来越倾向属于制造业，研究也偏向产品上游的LED驱动芯片领域。

但是除了标准化的产品，也有大量定制化应用需求存在。例如各种非标准参数的单路或者多路输出电源。定制化的LED电源使得其产业摆脱不了技术密集型与劳动力密集型的特点，不利于大规模生产、降低成本以及更大规模的市场推广[54]。这在20多年来开关电源的发展历程中也得以体现。

LED定制化与标准化共存的特点使得人们需要研发大量不同型号的驱动电源来满足各种需求。厂商需要投入大量研发与生产管理精力来设计与生产这些驱动电源。很显然，同样的市场需求情况下，平均每种型号的数量必然减少，这样很难降低供应链的元器件成本，不利于降低整体成本，不利于市场推广。大多数LED驱动电源厂商的产品型号少则数十种，多则数百种。一种思路是研究宽范围输入/输出的产品，使少量产品尽量兼容不同的应用。以市场常见的85～305 V宽范围输入电压驱动器产品为例，不仅兼容了传统的市电电网，还兼容了北美路灯277 V电网电压的应用。类似地，输出电压设置较宽范围，也可以兼容尽量多的负载。但是这种兼容带来的问题是，效率、成本等产品指标很难兼顾到最优。一种思路是研究自动判断负载的驱动技术。在过去十余年里，一些关于荧光灯和HID灯的负载自适应匹配的驱动技术已经被提出[56-60]。文献[56-57]中，一种电子镇流器能够通过检测荧光灯型号来匹配不同的灯；文献[58]中，一种自适应的控制技术被提出用于自动匹配HID灯，通过检测温度，电子镇流器能够通过优化控制策略来匹配冷灯或者热灯，以降低灯电极上的损耗来延长灯寿命；文献[59]中提出了一种通用电子镇流器，该电子镇流器通过在荧光灯灯预热期间检测灯阴极电阻来判断荧光灯类型；文献[60]提出了一种电子镇流器，可以驱动24 W、39 W、49 W的荧光灯，该电子镇流器通过判断灯电压和设置功率因数校正PFC（power factor correction）电路的占空比来自动调节输出功率以适应不同型号的灯。应用这种思路，一种驱动器可以驱动多种灯，该思路也可应用于LED驱动电源。然而传统的LED驱动电源大多为模拟控制方案，用来实现对负载的自适应判断较为困难，故此类研究较少。而数字化的电源，有利于实现该方案，同时有利于在网络化控制背景下实现数字通信。因此，研究数字化的LED驱动电源，使其具有负载自适应能力，可以使LED驱动电源智能化，用少量的型号驱动更多类型的负载。

上述思路有助于使得LED驱动器更适应标准化与定制化并存的现状。

2.3 网络化控制LED驱动技术兴起的发展思路

物联网概念的兴起，使得大量产品实现了网络化控制，推进了照明智能控制进程。在这种背景下，对于LED驱动技术，可以有如下发展思路。

（1）适应网络化控制的数字化LED驱动技术的研究。图4所示为目前典型的网络化控制的LED智能系统，通过通信设备实现对LED驱动电源集中控制。从系统架构上看，数字化的LED电源更有利于实现电源的故障诊断、状态监测、开关灯、调光、数据传输等智能化功能。然而从目前的研究和应用看，除了DALI较为合理地初步实现了LED驱动电源的数字化，主流的调光产品仍然采用了0～10 V、PWM等接口的模拟控制方案，对于网络化控制并非最优。其他通信方案更多的是利用通信模块与LED驱动电源的简单叠加。在这些方案中，LED驱动电源常用传统的模拟电路实现，而通信设备往往需要用数字方式实现。将两者集成是实现这种系统更为精简、低成本的方案。为此，LED驱动电源也具有数字通信能力。在这种背景下，利用其数字处理能力实现更先进的数字控制也具有可行性。

（2）具有通讯功能的LED驱动技术研究。照明工程中，网络化控制的LED系统开始普及。然而其通信仍然以模拟通信线、短距离无线通信、电力线载波、DALI等方案为主。这些方案的各有优缺点，从安装和应用的角度，由于不需要天线和额外的通信线，电力线载波方案最为便利。但是采用电力线载波方案，LED驱动电源需要与电力线载波模块相匹配，而由于模块成本较高，且该方案受电网谐波影响较大，故成本与性能均制约了其发展。

尽管市场上有集成载波模块的LED驱动电源，但这是两者简单的叠加，所采用的电力电子技术与信息电子技术有更好的兼容改进空间。

能量信息的传递在某些应用下可以互相利用。前文提及的传统的低压电网电力线载波PLC（power line carrier）可以看作能量线传输信息；有源以太网PoE（power over ethernet）等技术可以看作利用通信线传输能量[61]。用电力电子技术实现通信的思路已有若干研究[62-65]，包括在LED上实现的应用[66]。然而长距离应用对于传输线的要求较高[67]，电路的设计较为复杂，有待进一步研究。

（3）基于直流电网的的LED驱动技术研究。传统的网络化LED系统大多基于交流电网。基于直流电网的LED智能系统在某些情况下或许可以实现较低的成本及更加灵活的通讯。

2.4 高适应性LED驱动技术

上述几种LED驱动技术的发展思路的共同特点是提高LED驱动器对外部应用环境的适应性，在本文指对LED应用现状的典型特征的适应性。如对不同光源的适应性、对不同结构负载的适应性以及对网络化控制的适应性。

3 结语

通过归纳分析LED的各种应用，总结了其应用现状的典型特征，即LED与其他光源并存、LED标准化与定制化并存、网络化控制兴起。针对这些应用现状，提出了高适应性LED驱动技术的发展思路。对当前的各种研究进行了梳理，总结了其发展趋势，对LED驱动技术具有实际参考价值。

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