【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LED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)將會發(fā)揮出其中的作用，實現(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、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50,000個小時，而白熾燈壽命一般為1,000至2,000個小時，CFL的壽命為5,000至10,000個小時。由于使用壽命較長，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)計者提出了基于直流的電源系統(tǒng)。有幾項研究已經(jīng)對普通交流系統(tǒng)與直流供電系統(tǒng)進行過比較。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CarnegieMellonUniversity)大學(xué)的一項研究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LED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)備供電并進行數(shù)據(jù)通信，通過交換機/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LED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，PD被限制到最大25.5W，電壓范圍為50VDC至57VDC。預(yù)計將很快批準(zhǔn)的IEEE802.3bt標(biāo)準(zhǔn)將進一步提高PoE功率，其中PSE輸出端口的最小功率可達到90W。
通過PoE供電時，每個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，并具有自身可獨立尋址的IP地址。不僅如此，為LED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“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，人員檢測可確保在有人進入房間時打開照明，在房間無人時關(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)的接近檢測傳感器來尋找最近的空閑會議室。甚至能夠為設(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。通過實施測量、監(jiān)測和控制網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(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營效率的機會。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、照明以及清潔計劃。
另外一個好處是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。
這對我們意味著什么？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)附加值的一個例子，當(dāng)時斷電造成照明和電梯停工了35分鐘7。期間，體育場的WiFi?網(wǎng)絡(luò)未受影響，因為網(wǎng)絡(luò)通過PoE供電，具有電池備份。
PoE照明系統(tǒng)的所有這些好處實際上又重新點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，這些損耗足夠低到能夠?qū)崿F(xiàn)可觀的效率改善嗎？”
為分析這場爭議，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)進行供電；交流供電則采用230VAC標(biāo)準(zhǔn)市電。
PoE場景：電纜長度對效率的影響
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。
對于LED驅(qū)動器，我們在計算中采用95%效率。實際效率可能更高，如圖1
圖1:MAX16832LED驅(qū)動器的效率曲線
[page] 根據(jù)電纜長度的不同，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，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)?，所以這個條件是可以接受的。
交流場景：電源轉(zhuǎn)換對效率的影響
在測試的交流場景中，直接為LED燈具提供交流電源，要求進行交流/直流轉(zhuǎn)換，如圖2所示。
交流場景中，電纜造成的功率損耗極小。大部分效率損耗是由于每個燈具要求的交流/直流轉(zhuǎn)換造成的。MAX16841為離線式LED驅(qū)動器，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。請參見MAX16841EVKIT數(shù)據(jù)資料，其中8個串聯(lián)LED的效率在調(diào)光時為82.9%，無調(diào)光時為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，那么交流效率實際上僅差了1%(82.9%相對于PoELED照明燈83.9%的效率)。隨著每個燈具功率的提高，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。如果個體輸出功率保持較低，以及Cat5或Cat6電纜的長度較短，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，并未計入實際成本。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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