LED有助于实现专门电力需求的新型照明应用

日期:2012-06-29

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  当新技术出现时,它们经常推动执行超出通常与核心技术相关功能的独特产品或系统的开发。加利福尼亚州弗里蒙特的Redwood Systems正在利用LED照明和电子产品等领域的进步,开发它称之为建筑物性能照明平台。这家公司的故事提供了一个案例研究,LED照明也可以为照明控制行业的电力电子工程师创造机会。

  Redwood Systems发现,一个专门照明系统也有专门的电源要求,它与系统的设计紧密交织在一起,因此需要自主电源设计专长。虽然其电源要求不同,需要一种定制的电源设计方法,但电源转换的基本需求类似于主流应用。因此,电源和半导体行业的精明的工程师处于有利地位,可满足照明控制开发商的需求。

  管理光只是其一部分

  Redwood Systems建筑物性能照明平台的核心技术是使他们能够控制LED灯具的网络,如办公楼或数据中心的商业环境。中央控制器在Cat 5或其他布线上传输直流电源到每个灯具,调节灯具的开启或关闭,并提供必要的调光。然而,该系统还为每个灯具增加了一个通信网关,还有执行运动/进入感应以及温度和光线感应的传感器。网关遥感信息传输到控制器,然后与楼宇管理系统的信息共享。这种传感器联网阵列使整个设施实现了各种功能(见图)。

  Redwood Systems建筑物性能照明平台合并了建筑物照明控制等方面,如监测空间利用率、控制暖通空调系统,并管理建筑物的安全。以联网的方式,一个典型应用是集中控制器(以下简称“Redwood Engine”)馈入直流电源和通信信号到LED灯具网络。可以测量进入、光、温度,网关发送数据返回到引擎。除了其新颖的功能,该系统有望降低安装成本和提高系统级的能源效率。专用电源系统要求意味着电源设计专业系统的开发至关重要。

  进入感应能力允许灯在不需要时关闭,以提高能源效率。虽然在没有本地网络功能(如传统的做法)时,进入感应可以执行,但发送这个遥感信息到控制器的能力意味着它可以被用于其他目的。“如果空间是空置了一段时间,我们实际上可以调低空调或加热,以节省更多的能源,”Redwood Systems首席营销官和执行副总裁Sam Klepper说。Klepper解释,这个相同的数据也有其他用途。

  “我们的传感器建立在这种照明平台上,灯遍布整个设施。我们拥有所谓设施的眼睛和的耳朵,可以报告空间使用了多久,用来帮助做出重要的空间决定。“Klepper说,他注意到,优化空间使用是关键,“因为兴建新的建筑物非常昂贵”。一个客户端使用遥感数据实时告知其员工的进入,哪一个会议室在使用。进入遥感数据还可监测建筑物的安全使用。同时,也有来自灯具的温度数据,这可能是重要的信息,例如当设备是一个数据中心时。

  首席技术官Mark Covaro注意到系统架构的一个关键方面。“我们部署每个光传感器,所以你得到了整个建筑非常细网格的传感能力,”Covaro说。“这是一个架构上的决策,因为在我们读了很多,有人抱怨说他们不能正确地控制自己的大厦,因为他们不能够从他们的建筑物收集到数据。”

  系统供电

  Redwood Systems设计和制造三个器件。一个是中央控制器,也被称为“引擎”,控制并为LED灯具供电。“它有1300瓦的输出,因此它可以供电和管理约30个灯,”Covaro说。该公司还有一个网关被集成到灯具或相邻灯具安装,根据应用不同。Redwood Systems还建立了传感器盒。

  Covaro解释说,引擎和执行的AC-DC转换和功率因数校正产生灯具、网关和传感器盒所需的直流电源。虽然只适用于大功率LED灯具,该系统可以随意使用提供荧光灯或HID灯具的传感与控制(但不包括电源)。

  电力系统被列为Class 2,也就是说,它的直流电源输出必须保持在60V。Class 2架构具有重要的好处。不同于传统的照明系统,电源布线不再需要使用导管或Romex电缆。它可以用Cat 5电缆,这是通信标准。因此,电工不需要安装此系统的布线,这降低了安装成本。Covaro介绍,这种方法是适用于“所有照明布线的一个新的方式”,虽然那些熟悉网络技术将具有以太网供电(PoE)系统的相似之处。

  因为供电是集中的,不会烧坏灯具的LED驱动器,所以没有必要派电工维修灯具。该公司还声称。集中方案比灯具的电源转换提供了更大的可靠性。

  引擎的设计挑战

  表示,引擎的电源部分的主要设计动力是成本和效率。“我们面临的最大挑战是解决这一问题。我们正在讨论转换相当数量的功率。目前这一代是1300瓦,下一代将要达到大约1600瓦或1700瓦输出。我们要在一个相当小的空间做转换,所以我们当然要考虑散热问题。”

  尽管这些要求与在其他应用中遇到的相似,Redwood Systems的产品还是有一些具体特性。首先,虽然电源输入通常是额定277Vac,输入电压范围可以从85到305Vac所有不同,它是在85到265Vac的通用输入范围之外。该输入电压要求无法使用现成的电源。

  给网关和灯具供电的电源在直流输出方面还有另一个独特之处。“我们需要想出一个办法,把所有这些网关放在每个灯之外,不让它们消耗额外的功率,”Covaro说。“因此,我们想出了一个把通信信号嵌入到电源内的方式,你真的不能说出两者之间的区别。这让我们做了一个非常有电效率及低成本的设计。”

  调光LED的一个常用方法是采用脉冲宽度调制驱动LED的电流信号。占空比的变化产生较高或较低的平均电流值,以达到所需的亮度水平。在Redwood Systems的设计中,这个PWM信号运行在标称1kHz,被频率调制以将命令嵌入到网关。

  “我们在千赫附近,但代表了我们可以走得比千赫快一点,另一种状态是我们可以比千赫慢一点点。因此,要转到一个逻辑状态,我们需要更长的时间,要到另一个逻辑状态,我们需要更短的时间。我们在该期限内保持相同的占空比,这样你就不会发现调光方面的差异。”

  每个灯具的电源需要两个脉冲宽度调制直流电源通道、灯具控制及其相关的网关和传感器盒。因此,引擎的输出也有一系列DC-DC转换级产生这些电源。

  还要满足Class 2要求的电源设计挑战限制了电源输出的最大电压为60V。公司需要有尽可能多的可用于这个电压的LED。然而,确保电源输出不超过60V需要有容差的钳位电路,以削减可用于驱动LED的电压余量。失去的电压余量要么限制了由电源驱动的LED数量,要么限制了电缆的长度,因此必须谨慎采取钳位电路设计。未来的电力系统设计将包括避免完全钳位这个电压的改变。

  因为设计约束,该公司将电缆上的电压降限制到3%,这是从断路器到面板到灯具测得的分支电路标准压降。为此,系统使用这个信息在许多点测量功率电平,以确保正确安装。

  “我们无处不在地测量供电,”Covaro解释。“我们测量进入盒子的功率,并测量进入盒子的功率因数。我们测量那个盒子里面的中间级的功率。我们测量从引擎的每个通道出去的功率,然后我们测量网关出去的功率。因此,如果有人错误地设置了系统,我们可以通知他们,'嘿,你有太多的压降,这对电缆的功率损耗太多,你需要去检查,看看有什么不对。”

  因为所有这些要求,Redwood Systems自主设计了第一代产品的完整电源系统。然而,在未来,该公司预计为大容量电源部分购买有PFC的AC-DC电源。“我们正在寻找购买一个PoE电源,所以我们需要的基本上是1600瓦的PoE输出。但我们将继续我们自己的DC-DC输出板设计。只是太多的DC-DC专业化部分要买现成的,或者甚至可以修改,做我们想要做的事情。”

  展望未来,Redwood Systems的产品的持续发展将要求电力系统的进一步发展。关于这个问题,请参见“为下一代产品改造电源系统”,在这篇文章的在线版中,您还可以阅读更多有关该公司对电力电子工程师的要求,“寻找合适的技能”。

  作者简介

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