【導(dǎo)讀】雖然LED照明的各種好處不言自明，但是高效的供電方式還是飽受爭(zhēng)議。本文主要介紹的是利用現(xiàn)代化以太網(wǎng)供電(PoE)技術(shù)為L(zhǎng)ED照明提供直流電源。如果使用局域網(wǎng)(LAN)將照明燈聯(lián)網(wǎng)，PoE技術(shù)將會(huì)發(fā)揮出其中的作用，實(shí)現(xiàn)最佳利益。
LED照明現(xiàn)在是主流技術(shù)，正在逐漸取代商業(yè)、工業(yè)以及住宅領(lǐng)域的白熾燈、鹵素?zé)艉托⌒蜔晒鉄?CFL)。LED的好處已廣為人知，其中包括使用壽命更長(zhǎng)、能源效率更高，以及燈具尺寸非常小。舉例來說，LED照明燈的使用壽命可達(dá)50,000個(gè)小時(shí)，而白熾燈壽命一般為1,000至2,000個(gè)小時(shí)，CFL的壽命為5,000至10,000個(gè)小時(shí)。由于使用壽命較長(zhǎng)，LED降低了由于更換難以觸及的照明燈而引起的操作/安全風(fēng)險(xiǎn)以及人力成本。LED的使用成本也低得多，10WLED照明燈的亮度大約與60W白熾燈泡相當(dāng)。
采用PoE技術(shù)的直流電源
LED實(shí)質(zhì)上是低壓直流器件。為確保兼容傳統(tǒng)的交流電源，大多數(shù)用于照明的LED驅(qū)動(dòng)器利用交流/直流轉(zhuǎn)換器將交流電源轉(zhuǎn)換為較低的直流電壓。這一轉(zhuǎn)換過程降低了系統(tǒng)效率，所以設(shè)計(jì)者提出了基于直流的電源系統(tǒng)。有幾項(xiàng)研究已經(jīng)對(duì)普通交流系統(tǒng)與直流供電系統(tǒng)進(jìn)行過比較。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CarnegieMellonUniversity)大學(xué)的一項(xiàng)研究2“發(fā)現(xiàn)：與使用交流電相比，使用直流電每年可節(jié)省$2,000。如果LED由并網(wǎng)的太陽(yáng)能PV電源供電，與使用交流電相比，使用直流電每年可節(jié)省$5,000。”
現(xiàn)在，根據(jù)最早頒布于2003年并在2009年更新的IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，您可利用PoE技術(shù)為L(zhǎng)ED照明燈提供直流電源。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定利用單根標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線(如Cat5)直接為所連設(shè)備供電并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過交換機(jī)/集線器上的供電設(shè)備(PSE)提供電源。被供電的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(本例中為L(zhǎng)ED照明燈)稱為受電設(shè)備(PD)。
為考慮最差工作條件下的網(wǎng)絡(luò)電纜損耗，PSE提供的電源高于PD的功率限值。最初的PoE標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3af)規(guī)定，PSE電源使用Cat3或更高規(guī)格的電纜，在44VDC至57VDC電壓范圍內(nèi)提供最大15.4W功率。在這種情況下，PD被限制到13.0W，電壓范圍為37VDC至57VDC。隨后的IEEE802.3at標(biāo)準(zhǔn)將功率提高到30W(PSE)，電壓范圍為50VDC至57VDC，使用Cat5或更高規(guī)格的電纜。此時(shí)，PD被限制到最大25.5W，電壓范圍為50VDC至57VDC。預(yù)計(jì)將很快批準(zhǔn)的IEEE802.3bt標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步提高PoE功率，其中PSE輸出端口的最小功率可達(dá)到90W。
通過PoE供電時(shí)，每個(gè)LED照明燈具可以是標(biāo)準(zhǔn)的RJ-45連接器即插即用設(shè)備，并具有自身可獨(dú)立尋址的IP地址。不僅如此，為L(zhǎng)ED燈具增加傳感器，即可將其從單純的照明設(shè)備轉(zhuǎn)換為智能LED集中器。采用這種配置，每個(gè)“智能”LED集中器可收集關(guān)于環(huán)境光、溫度、濕度以及匿名居住信息，并傳回控制器。例如，人員檢測(cè)可確保在有人進(jìn)入房間時(shí)打開照明，在房間無人時(shí)關(guān)閉照明。環(huán)境光傳感器也支持日光收集5，以及調(diào)節(jié)LED照明，在沒有日光時(shí)維持恒定的亮度。
PoE非常適合于通過LAN供電、連接和控制智能LED集中器。按照這種方式，LED照明系統(tǒng)就成為IT網(wǎng)絡(luò)的一部分；通過任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(例如電話、平板電腦、PC)，其服務(wù)將不僅僅局限于用戶附近，而是延伸至其它大廈服務(wù)。那么，用戶就能夠利用系統(tǒng)的接近檢測(cè)傳感器來尋找最近的空閑會(huì)議室。甚至能夠?yàn)樵O(shè)施擁有者和管理者帶來更大好處，使其能夠整體了解設(shè)施的能源使用情況。通過實(shí)施測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)(包括加熱和通風(fēng))，管理者能夠發(fā)現(xiàn)提高能源利用率和運(yùn)營(yíng)效率的機(jī)會(huì)。有了這些信息之后，管理者就能夠根據(jù)用戶的歷史行為數(shù)據(jù)，調(diào)整溫度、照明以及清潔計(jì)劃。
另外一個(gè)好處是PoELED網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)將來的發(fā)展。LED照明燈具(以及相關(guān)的智能傳感器集中器)已經(jīng)安裝到所需的位置，并且電源和數(shù)據(jù)已經(jīng)連接到大多數(shù)的有用位置。所以，現(xiàn)在只需較低的邊際成本和相對(duì)較低的人力即可增加新傳感器或通信模塊，例如分布式短程無線接入點(diǎn)。
這對(duì)我們意味著什么？顯而易見，使用PoE可降低支持IP的設(shè)備的部署和安裝成本，無論這些設(shè)備是傳感器還是LED照明燈。由于數(shù)據(jù)和電源共用相同的電纜，降低了布線成本；由于安裝網(wǎng)線不需要有資質(zhì)的電工，所以也降低了安裝成本；與110VAC(或220VAC)相比，PoE直流電壓危險(xiǎn)程度大大降低，所以安裝過程也更加安全。PoE網(wǎng)絡(luò)支持更好的總體網(wǎng)絡(luò)電源管理：既能夠通過所連設(shè)備的電源實(shí)現(xiàn)離散控制，又能夠在斷電期間僅使用網(wǎng)絡(luò)連接提供電源備份。第47屆SuperBowl冠軍賽就是PoE技術(shù)附加值的一個(gè)例子，當(dāng)時(shí)斷電造成照明和電梯停工了35分鐘7。期間，體育場(chǎng)的WiFi?網(wǎng)絡(luò)未受影響，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通過PoE供電，具有電池備份。
PoE照明系統(tǒng)的所有這些好處實(shí)際上又重新點(diǎn)燃了交流與直流供電的大討論。有的人問：“怎么處理Cat5(或更高規(guī)格)電纜上引起的電阻損耗？”有的人則說：“如果您去掉交流供電系統(tǒng)中目前要求的附加交流/直流轉(zhuǎn)換級(jí)，這些損耗足夠低到能夠?qū)崿F(xiàn)可觀的效率改善嗎？”
為分析這場(chǎng)爭(zhēng)議，我們分析了為10W和20WLED照明燈供電的三種情形：其中兩種情況下根據(jù)最初的IEEE802.3af(15.4WPSE和13.0WPD)及隨后的IEEE802.3at(30W和25.5W)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行供電；交流供電則采用230VAC標(biāo)準(zhǔn)市電。
PoE場(chǎng)景：電纜長(zhǎng)度對(duì)效率的影響
CUIINCPSE-1000由230VAC市電供電，該設(shè)備的功率為1000W，典型效率為90%。PSE的供電由40W的MAX5984PSE控制器控制，PD使用70W的MAX5982控制器。電纜為Cat623AWG電纜，每股線的電阻為67歐姆每千米或0.067歐姆每米。
對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器，我們?cè)谟?jì)算中采用95%效率。實(shí)際效率可能更高，如圖1
圖1:MAX16832LED驅(qū)動(dòng)器的效率曲線
[page] 根據(jù)電纜長(zhǎng)度的不同，當(dāng)然還有照明燈的功率，系統(tǒng)效率在79.7%至83.9%范圍內(nèi)變化。對(duì)于較高功率的LED照明燈，效率可能略有下降。因此，為了保證效率優(yōu)勢(shì)，最好保持每端口的功率稍低。這也允許更精細(xì)的控制。但由于20W(1800lm)LED照明燈大概相當(dāng)于200W的鹵素?zé)簦赃@個(gè)條件是可以接受的。
交流場(chǎng)景：電源轉(zhuǎn)換對(duì)效率的影響
在測(cè)試的交流場(chǎng)景中，直接為L(zhǎng)ED燈具提供交流電源，要求進(jìn)行交流/直流轉(zhuǎn)換，如圖2所示。
交流場(chǎng)景中，電纜造成的功率損耗極小。大部分效率損耗是由于每個(gè)燈具要求的交流/直流轉(zhuǎn)換造成的。MAX16841為離線式LED驅(qū)動(dòng)器，包括恒定頻率控制技術(shù)，通過工作在導(dǎo)通模式，確保在較低和較高交流電壓下均保持最高轉(zhuǎn)換效率。該模式最大程度降低總體導(dǎo)通和開關(guān)損耗。請(qǐng)參見MAX16841EVKIT數(shù)據(jù)資料，其中8個(gè)串聯(lián)LED的效率在調(diào)光時(shí)為82.9%，無調(diào)光時(shí)為84.8%。輸出功率為10W。
交流與PoE的終極比較
以可調(diào)光LED燈具為例，交流系統(tǒng)效率(82.9%)僅略高于最大電纜長(zhǎng)度為100m的10WPoELED燈具(效率為82.3%)。如果假設(shè)電纜為25mCat5電纜，那么交流效率實(shí)際上僅差了1%(82.9%相對(duì)于PoELED照明燈83.9%的效率)。隨著每個(gè)燈具功率的提高，PoE系統(tǒng)效率下降，使得效率低于交流系統(tǒng)。
最后，PoE系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的效率比較將取決于特定應(yīng)用的照明要求。如果個(gè)體輸出功率保持較低，以及Cat5或Cat6電纜的長(zhǎng)度較短，PoE電源效率將始終優(yōu)于交流系統(tǒng)。所以，與交流電源相比，照明要求越精細(xì)，PoE供電LED的效率越高。
還有一點(diǎn)要注意。我們的分析中以23AWGCat6電纜電阻為例。如果使用22AWGCat6電纜，PoE照明的效率甚至可進(jìn)一步提高；雖然該電纜目前不如23AWGCat6電纜常用，但隨著PoE照明的發(fā)展，應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。
結(jié)語
我們之前的分析僅考慮了系統(tǒng)效率，并未計(jì)入實(shí)際成本。安裝照明燈所要求的資質(zhì)/執(zhí)照等成本將取決于當(dāng)?shù)氐囊?guī)范和規(guī)章。所以，為了真正比較交流和PoE供電照明之間的成本差異，必須包括此類人工成本。
除了成本和效率方面的考慮，我們不能忽略PoE供電LED照明燈的適應(yīng)性：將傳感器、無線通信模塊以及嵌入式處理器集成至智能集線器。將智能LED燈/傳感器集線器連接至局域網(wǎng)(LAN)，允許已安裝的LED集線器快速支持并充分利用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)上涌現(xiàn)出的新技術(shù)，無需更換昂貴的照明燈，提供適應(yīng)未來發(fā)展的技術(shù)。
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