LED型應(yīng)急照明系統(tǒng)的電池技術(shù)介紹

LED 型應(yīng)急照明系統(tǒng)市場可能是最成熟的市場之一。 盡管 LED 設(shè)備 20 多年前就適用于簡單的出口標(biāo)志，但在最近 6 年內(nèi)才能切實(shí)用于應(yīng)急照明系統(tǒng)。 隨著能效和顏色一致性性能的提升以及價(jià)格的降低，白色 LED 已成為照明變革的催化劑。

憑借不斷向前發(fā)展的技術(shù)和日益降低的價(jià)格，LED 能更好地適應(yīng)各種不同應(yīng)急照明系統(tǒng)。 而且，創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)合 LED 技術(shù)優(yōu)勢(shì)讓照明設(shè)計(jì)人員擁有了一個(gè)重要的競爭利器。 針對(duì)備用工作和電路保護(hù)器件的電池/電能存儲(chǔ)系統(tǒng)以及 LED 技術(shù)本身的發(fā)展，正為我們帶來許多新機(jī)會(huì)。

本文將介紹 LED 型應(yīng)急照明系統(tǒng)方面的最新技術(shù)并重點(diǎn)介紹全新元件的開發(fā)。 例如，能效的提升、更優(yōu)的熱性能以及更堅(jiān)固耐用的 LED 正不斷提高可靠性，降低維護(hù)成本。 典型器件包括 Osram 的 Golden Dragon Plus 和 Duris P5、Philips Lumileds 的 LUXEON? Z 以及 STW8（由 Seoul Semiconductor 提供）。

在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，尤其是存在火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)的情況下，電路保護(hù)解決方案會(huì)讓應(yīng)急照明更加穩(wěn)定、可靠。 諸如 LED 分流保護(hù)器（由 Bourns 提供）和 Polyswitch 電路保護(hù)器（由 TE Connectivity 提供）均是這方面的常用器件。

最后，電池技術(shù)最近幾年來發(fā)展迅猛且使用鋰離子電池已成為一種趨勢(shì)，為我們帶來了體積更小、電力更強(qiáng)勁的備用電池解決方案。 然而，如果不采用正確的保護(hù)措施，這些優(yōu)勢(shì)在一些安全關(guān)鍵型應(yīng)用中會(huì)被視作火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源。 超級(jí)電容器可作為一種替代解決方案，有些時(shí)候也是對(duì)電池的一種補(bǔ)充。 Eaton 的 PowerStor 系列已用于包括應(yīng)急照明在內(nèi)的大量應(yīng)用中。

安全第一

無論是建筑內(nèi)還是建筑外，無論在購物中心、地下停車場，還是飛機(jī)上、公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)，只要有人群聚集的地方，應(yīng)急照明已是一種必不可少的安全措施。 尤其在火災(zāi)情況下，有效照明是確?？焖?、無痛苦撤離的關(guān)鍵。 光線充足、間隔合理并能指示最短逃生路徑的應(yīng)急出口標(biāo)志非常重要，因?yàn)槿藗兒芸鞎?huì)變得不知所措。 通常情況下，人們總想從他們進(jìn)入建筑的路徑離開建筑，而這可能不是最有效的路徑。

熒光燈在老舊設(shè)施中仍將使用，但會(huì)逐漸被 LED 燈取代。 用于更換傳統(tǒng) T8 熒光燈管的 LED 模塊已經(jīng)成為廣受歡迎的改型照明裝置。 通常來講，LED 為我們展示了許多性能和成本優(yōu)勢(shì)，使其能夠越來越多地用在許多應(yīng)急照明應(yīng)用中。 只要利用 LED 技術(shù)升級(jí)換代主照明系統(tǒng)，輔助型應(yīng)急照明設(shè)施也極有可能被 LED 取代。

LED 技術(shù)越來越多的好處正不斷地吸引著人們的眼球。 LED 燈使用壽命長、性能可靠，因此縮短了保養(yǎng)周期并降低了維護(hù)成本，非常適合應(yīng)急照明系統(tǒng)。 LED 無鉛、無汞，被認(rèn)為是更環(huán)保的產(chǎn)品。 LED 被視作本安型產(chǎn)品，因此能在采礦、石油勘探和其他存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下使用。 不含有任何玻璃成分，LED 更堅(jiān)固耐用，擁有更強(qiáng)的抗撞擊、抗振動(dòng)性能，并且安裝在公共場所時(shí)不易被人為損壞。

對(duì)于在常規(guī)電源故障時(shí)切換至備用電池或者應(yīng)急發(fā)電機(jī)的應(yīng)急照明系統(tǒng)來說，功耗普遍低于傳統(tǒng)照明技術(shù)的 LED 產(chǎn)品是理想的選擇。

作為一種點(diǎn)光源，LED 燈的自身性質(zhì)使其能輕松控制光線焦點(diǎn)，讓光線照射到需要的地方。這一特性結(jié)合高光學(xué)效率有助于進(jìn)一步降低功耗。 把符合英國應(yīng)急照明行業(yè)委員會(huì) （ICEL）1 規(guī)定的最簡單形式的、典型光束視角為 60o 的兩個(gè) 1 W LED 以及與之配套的驅(qū)動(dòng)器、逆變器和一個(gè) 3.6 V 電池，按照建議的間距安裝在距離地板 3 m 的高度時(shí)，能在地板上輕松達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的亮度。

美觀

LED 的另一個(gè)好處是，尤其在大規(guī)模照明的情況下可以讓我們選擇外形，把應(yīng)急照明與建筑照明相結(jié)合。 現(xiàn)在，我們能夠制造幾乎任何尺寸和外形的燈具，能將其融入到現(xiàn)有建筑的各種結(jié)構(gòu)和材料中。 燈條特別適用于樓梯和走廊，其他模塊可以齊平安裝在地板或者墻上，或者經(jīng)過改造后安裝到現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中。 能更好地隱藏應(yīng)急照明燈具或?qū)⑵淙谌氲浇ㄖ胁⒔o人以美的感受，使照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員及其客戶擁有了更大的靈活性。

Osram Semiconductor2 提供的一個(gè)案例研究說明了在該領(lǐng)域能取得什么樣的成績。 德國慕尼黑的 Karlplatz Stachus （U-bahn/S-Bahn） 地鐵站在入口處采用了一段總長達(dá) 700 米的樓梯，且由于建筑結(jié)構(gòu)本身的原因，只能通過樓梯扶手照明。 這種扶手照明能在作常規(guī)電源斷開后繼續(xù)通過電池供電，用作應(yīng)急照明。 這種 Osram LED 裝置功耗低，使得每 18 米長的扶手照明功耗僅需 100 W。

圖 1：慕尼黑市 Stachus 的 S-Bahn 和 U-Bahn 地鐵網(wǎng)入口區(qū)域采用了 LED 照明扶手，在電源故障時(shí)兼做應(yīng)急照明。

LED 用于應(yīng)急照明系統(tǒng)時(shí)，所需類型和技術(shù)規(guī)格在很大程度上由具體的應(yīng)用決定。 不過，也有一些最令人滿意的共同特點(diǎn)，如低功耗、發(fā)熱少、高流明輸出。 色溫為 3000 至 6500 K，CRI 不低于 80，能效為 75 - 100 lm/W 的冷白光 LED 是對(duì)這類產(chǎn)品的典型要求。

根據(jù)具體應(yīng)用，需要考慮的特性包括小尺寸、堅(jiān)固耐用的外殼、可以做成燈條或其它形狀的簡單靈活的模塊化設(shè)計(jì)，以及可通過備用電池或其它臨時(shí)電源供電。

標(biāo)志燈

諸如 Osram Opto Semiconductor 的 Duris P5 系列 LED 等器件顯然適用于應(yīng)急照明應(yīng)用。 GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1A 屬于自然白光器件 （4000 K），具有如臺(tái)階和出口通道上的應(yīng)急標(biāo)志燈所需的高能效、中等功率和壽命長等特點(diǎn)。 這些器件在 100 mA 時(shí)的典型光通量為 29 lm，光學(xué)效率為 96 lm/W，CRI 為 80 并且采用無引腳 SMD-2 封裝。 典型正向電壓為 3.02 V，最大正向電流為 250 mA，視角為 130o。 Duris P5 系列器件包括暖色 （3000 K） 和冷色 （5000 K） 光輸出器件，技術(shù)規(guī)格與 4000 K 版器件類似。

對(duì)于要求更高流明效率的應(yīng)用（盡管功耗也高），Osram 通過其 Golden Dragon Plus line 產(chǎn)品線提供 LUW W5AM 系列產(chǎn)品。 該系列器件在 350 mA 時(shí)的典型光通量為 116 lm 并在 1 A 時(shí)達(dá)到 273 lm。該系列也是專為應(yīng)急照明系統(tǒng)中的標(biāo)志燈而設(shè)計(jì)的，在外形非常扁平的封裝中提供了一個(gè)高能效光源。 光效率在 100 mA 時(shí)為 146 lm/W，最高正向電流為 1 A，典型正向電流為 3.2 V 且熱阻為 6.5 K/W。

圖 2：Osram 的高能效 Golden Dragon Plus LED 適用于標(biāo)志照明應(yīng)用。

Philips Lumileds 也提供具有類似性能的器件。 LUXEON Z 4070 的色溫為 4000 K，CRI 為 70。 500 mA 時(shí)的典型流明輸出為 138 lm。 典型能效為 95 lm/W。 規(guī)格書中引用的另一個(gè)有用參數(shù)是器件尺寸和光輸出比，并給出中等 LED 的尺寸光輸出比值為 63 lm/mm2。 該器件能以無封裝的開放形式提供，因此是整合到燈條或者模塊中的理想器件。

圖 3：Phlips LumiLED 的 LUXEON Z LED 采用 2.2 mm2 微型基底面。

Seoul Semiconductor 的 Acrich 系列單 LED 和多 LED 產(chǎn)品類型豐富，可提供大量屬于光譜中冷白光段的器件。 6500 K STW8Q14BE 只是單 LED 系列器件中的一種，主要針對(duì)通用、室內(nèi)和建筑照明應(yīng)用。 這款 LED 集成了 ESD 保護(hù)功能，采用硅樹脂封裝并裝配到一個(gè)耐熱型熱塑基體中。 其電氣性能為：正向電壓為 3.2 V（典型值），正向電流為 160 mA（典型值），流明密度為 35 lm （3700 至 7000 K），CRI 為 80（最?。┖蜔嶙铻?18°C/W。

電路保護(hù)

盡管一些基于 LED 的預(yù)安裝型應(yīng)急照明模塊出廠時(shí)附帶了相關(guān)的電路，用來在常規(guī)電源與備用電源之間自動(dòng)切換，但是為了提升耐用性和可靠性，可以再安裝一個(gè) LED 并聯(lián)保護(hù)器件。 增加保護(hù)有助于將 LED 燈的維修和更換成本降至最低，用于由多個(gè)串聯(lián) LED 組成的長燈串且采用順從電壓相對(duì)較高的恒流電源時(shí)這種效果更為突出。

用多個(gè) LED 組成燈串有許多好處。 電源設(shè)計(jì)簡單是主要優(yōu)勢(shì)，而高電壓、低電流電源能提升電源本身的能效。 外形的可擴(kuò)展性、模塊化和靈活性是選擇 LED 燈串而非其他照明技術(shù)的幾個(gè)重要決定因素。 不足之處是，只要燈串中的一個(gè) LED 開路，其余器件就會(huì)全部關(guān)閉。 LED 故障可能由高溫、靜電放電 （ESD） 或者過壓、過流事件造成。

采用齊納二極管能輕松保護(hù)低功耗 LED 燈串。 對(duì)于高功率應(yīng)用（工作電流高于 75 mA），建議采用有源 LED 并聯(lián)保護(hù)器件，且這種器件比開路 LED 的功率耗散更小。 這些基于晶閘管的器件工作時(shí)，在不工作的 LED 周圍進(jìn)行分流并形成一個(gè)電橋，以確保燈串中的正常二極管仍能發(fā)光。

Bourns 是 LED 分流保護(hù)器件領(lǐng)域的領(lǐng)先制造商。 他們的 LSP0600BJR-S 采用 6 V 工作電壓。為將保護(hù)水平提升至最高，設(shè)計(jì)人員應(yīng)為每個(gè) LED 配備一個(gè)該器件。 或者，為了將成本降至最低，可采用該系列中具有 9 V、13 V 和 18 V 保護(hù)功能的器件來分別隔離由兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè) LED 組成的燈組。

Bourns 編寫了一本很有用的白皮書3，詳細(xì)解釋了有關(guān)恒流電源順從電壓方面的電源問題。 該白皮書給出了示例電路和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹特定故障條件下對(duì)電源的要求以及 Bourns LSP 系列器件。 同時(shí)還給出了適用于 LED 燈串的電源架構(gòu)。

過流保護(hù)

保護(hù) LED 照明燈具以及應(yīng)急照明電池免遭過流和熱損壞，是 TE Connectivity 的 Raychem 電路保護(hù)產(chǎn)品的主要功能。 該公司指出，盡管比被取代的照明技術(shù)擁有相當(dāng)長的使用壽命，但 LED 的使用壽命由很多因素決定，具體包括結(jié)溫、工作電壓和電流。

自復(fù)位聚合物正溫度系數(shù) （PPTC） 器件，如 TE 經(jīng)久耐用的 PolySwitch 和 PolyZen 系列均展示了在 LED 保護(hù)電路中的高效性。 典型應(yīng)用包括電源輸入保護(hù)（阻止與電力線路耦合的瞬態(tài)和浪涌）、LED 驅(qū)動(dòng)器電路輸出保護(hù)、LED ESD 保護(hù)。 在高可靠性應(yīng)急照明裝置中，這些器件的保護(hù)功能尤其高效，因?yàn)樗鼈兡茉诠收锨宄?、電路恢?fù)后自動(dòng)復(fù)位。

圖 4： 從類型廣泛的 PolySwitch 自恢復(fù)器件中精選的器件，可用于保護(hù) LED 應(yīng)急照明電路。

按照制造商提供的數(shù)據(jù)，大多數(shù) LED 應(yīng)用通過電源轉(zhuǎn)換、控制器件與電源連接來控制 LED 驅(qū)動(dòng)器的功率耗散。 諸如 PolySwitch 系列中的自恢復(fù) PPTC 器件，其作用就是用來保護(hù)這些接口，避免超溫、過流造成損壞。

一般工作情況下，熔斷器處于低電阻狀態(tài)； 出現(xiàn)過流時(shí)切換至高電阻狀態(tài)。 這樣，就可將故障條件下的電流降至一個(gè)穩(wěn)定的低水平，有助于保護(hù)電路中的設(shè)備。 該器件會(huì)在故障清除前一直保持閉鎖位置。 一旦電源恢復(fù)，該器件就會(huì)復(fù)位，然后電流恢復(fù)，電路恢復(fù)正常工作。 更詳細(xì)的內(nèi)容和電路圖，可參閱 Digi-Key TechZone 中以前的文章。4

許多 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 需要通過受保護(hù)的 DC 輸入向二極管提供穩(wěn)定電流。 把 PolySwitch 器件與 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 串聯(lián)，再并聯(lián)一個(gè)齊納或者瞬態(tài)抑制二極管等電壓鉗位器件將有助于實(shí)現(xiàn)高效保護(hù)。 PolySwitch 元件尺寸多樣，結(jié)合微型 1608 封裝器件后能夠適應(yīng)大多數(shù)緊湊型應(yīng)用，可節(jié)省板空間和成本。 設(shè)計(jì)人員可選擇的額定電流范圍為 50 mA 至 3 A，額定電壓范圍為 6 V 至 60 V。

適用于 IC 保護(hù)的典型器件是 6 V nanoSMDC150F，其保持電流為 1.5 A，額定動(dòng)作電流為 3 A，最高電流為 100 A 。動(dòng)作時(shí)間為 0.3 s。

備用電源

超級(jí)電容器已越來越多地用作某些應(yīng)用的備用電源，尤其在鋰離子電池可能帶來火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的安全關(guān)鍵型系統(tǒng)中。 超級(jí)電容器的功率是電池功率的十倍多，使用周期更是電池的千倍以上。 這類電容器的功率密度比傳統(tǒng)電解電容器高三個(gè)數(shù)量級(jí)。

它們還能與傳統(tǒng)電池備用技術(shù)串聯(lián)使用，以加強(qiáng)此類系統(tǒng)的性能，延長其使用壽命。 這些器件在應(yīng)急照明應(yīng)用中令人感興趣的，是它們能用在保持和橋接電源系統(tǒng)中，即使電網(wǎng)電壓故障時(shí)也能確保電源恒定。 超級(jí)電容器被認(rèn)為比電池更環(huán)保，能幫助設(shè)計(jì)人員減小電池體積，延長電池壽命。

超級(jí)電容器市場的領(lǐng)先制造商是 Eaton。 他們的 XB 和 XV 系列圓柱形器件的電容值為 300 F 至 400 F，工作電壓分別為 2.5 V 和 2.7 V。 這兩個(gè)系列具有高功率密度所需的超低 ESR，能確保峰值電流時(shí)的電壓降最小。 這些器件被認(rèn)為特別適合 UPS 和備用電源系統(tǒng)以及應(yīng)急照明裝置。

XB 系列的典型器件為 PowerStor XB3550，其在 2.5 V 時(shí)的電容為 300 F。XV 系列中的頂級(jí)產(chǎn)品是 PowerStor XB3560 超級(jí)電容器，其在 2.7 V 額定電壓下的電容為 400 F。

圖 5：Eaton 的 PowerStor 超級(jí)電容器適于在各式各樣的安全和工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)備用和電源橋接功能。

總結(jié)

盡管還不是一種完美的應(yīng)用，但各種技術(shù)進(jìn)步正推動(dòng)著應(yīng)急照明系統(tǒng)的發(fā)展，這些技術(shù)不僅包括 LED 本身，還包括那些用于非常重要的電路保護(hù)和電池備用功能的輔助子系統(tǒng)技術(shù)。 應(yīng)急照明設(shè)計(jì)人員已能在該領(lǐng)域改造翻新產(chǎn)品，使產(chǎn)品與眾不同，無論是新裝置還是改型單元。