新建筑的建造為建筑師提供了接受新技術(shù)的機會，以減少現(xiàn)場的碳足跡。固態(tài)照明（SSL）的高效率和長壽命使其成為環(huán)保項目照明的首選。例如，消費電子巨頭蘋果公司已經(jīng)為所有正在進行建設(shè)或重大改造的設(shè)施制定了LED照明標準。

然而，將SSL安裝到現(xiàn)有建筑物會帶來一些挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的白熾燈泡或熒光燈管直接來自交流電源。相比之下，LED需要低壓，恒流直流電源，因此將SSL連接到傳統(tǒng)接線需要使用稱為LED驅(qū)動器的專用電源。這些LED驅(qū)動器增加了成本，占用空間并產(chǎn)生熱量。

但是，最近一種替代方案 - 特別適用于現(xiàn)代辦公環(huán)境并且可以顯著降低改造SSL的成本 - 已經(jīng)脫穎而出：以太網(wǎng)供電（PoE）。 PoE允許局域網(wǎng)（LAN）的布線將數(shù)據(jù)和電力傳輸?shù)竭B接的設(shè)備。本文介紹了基于PoE的LED照明基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)于其他布線系統(tǒng)的優(yōu)勢，并介紹了設(shè)計人員如何利用最新一代寬電壓輸入，恒流LED驅(qū)動器實施PoE SSL解決方案。

改裝LED

典型的辦公環(huán)境主要是熒光燈的穩(wěn)定冷白光。雖然熒光燈管具有合理的效率，平均為60至100流明/瓦，但其電氣性能已被最新一代LED燈黯然失色。甚至像Luminus Devices的MP-3030系列這樣的“中功率”LED也具有122 lm/W（3 V和150 mA）的功效。 Cree'sXLamp XP-L系列的大功率器件（價格稍貴）可以輸出超過150 lm/W（2.95 V和1.05 A）。

LED的使用壽命更長比熒光燈管。在正常使用中，辦公室經(jīng)理可能會合理地期望熒光燈管可以持續(xù)使用大約10,000小時 - LED常常發(fā)光五倍;由于燈中使用的汞，熒光燈管確實帶來了一些環(huán)境問題。汞的含量很少，但這種重金屬的健康影響是累積的，因此需要謹慎處理。 LED不會出現(xiàn)這種有毒金屬問題。蘋果等公司熱衷于轉(zhuǎn)而采用SSL來照亮其運營，這也許不足為奇了。

熒光燈管采用交流電源供電（某些電子管可以使用直流電源供電，但這是不同的是，電流從400 mA到1.5 A.相反，LED采用恒流，低直流電壓供電。當然，操作特性因制造商而異，但通常LED需要2.8至3.5 V的電壓和150 mA至2 A的電流。例如Lumileds LUXEON TX等流行的高亮度LED的操作要求，正向電壓為2.8 V，電流為700 mA至1.5 A. LED驅(qū)動器提供解決方案。

除了電壓調(diào)節(jié)，LED驅(qū)動器還可以將控制信號解釋為暗淡并改變顏色發(fā)出的光。這些器件有恒壓或恒流兩種類型。恒流驅(qū)動器支持脈沖寬度調(diào)制（PWM）和恒定電流降低方法，用于在調(diào)暗LED時調(diào)節(jié)輸出電流。例如，Richtek最近推出了RT8471 LED驅(qū)動器。該產(chǎn)品是一款連續(xù)模式降壓（“降壓”）穩(wěn)壓器，設(shè)計用于驅(qū)動7至36 V電源的單個或多個LED。通過模擬或PWM輸入信號的PWM調(diào)光實現(xiàn)LED亮度控制。輸出電流高達1.2 A.

設(shè)計人員根據(jù)應(yīng)用要求將LED驅(qū)動器與LED匹配，包括要供電的LED數(shù)量，供電類型和功能等因素LED的特性。

一些LED制造商提供“AC LED”，它可以直接擰入傳統(tǒng)燈泡騰出的插座中。 LED仍然必須由低壓直流電源驅(qū)動，照明制造商通過將整流器和LED驅(qū)動器集成到燈具中來解決問題，同時降低了單元的價格。

PoE提供了一種從傳統(tǒng)布線為SSL供電的低成本替代方案。許多辦公室已經(jīng)使用PoE系統(tǒng)來連接VoIP電話，無線接入點，調(diào)制解調(diào)器和其他建筑服務(wù)，例如安全攝像頭和運動傳感器，并且將LED照明添加到這樣的網(wǎng)絡(luò)中相對簡單且便宜。第二個主要優(yōu)勢是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的信息承載能力賦予SSL一定程度的智能，而無需采用“智能”照明通常所需的復(fù)雜無線技術(shù)。

什么是POE ？

首先出現(xiàn)的PoE是對互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音（VoIP）電話供電問題的回答。 2000年，電信設(shè)備供應(yīng)商思科推出了允許以太網(wǎng)電纜承載48 VDC電源以支持VoIP電話的技術(shù)。

到2003年6月，IEEE以太網(wǎng)小組委員會批準了IEEE 802.3af PoE標準。 2009年，第二個標準IEEE 802.3at被批準，它定義了一種可以處理更多功率的類似技術(shù)。 IEEE 802.3af詳細介紹了一種PoE技術(shù)，旨在為每個設(shè)備提供高達15.4 W的直流電源（最低44 VDC和350 mA）。 （由于電纜損耗，設(shè)備只能提供12.95 W的功率。）該技術(shù)使用單個標準RJ45連接器和CAT 5（甚至CAT 3）電纜，可處理數(shù)十瓦（圖1）。

圖1：PoE使用標準RJ45連接器和CAT 5電纜。

可以傳輸電源在以太網(wǎng)電纜的未使用導(dǎo)體上，因為典型的10到100 Mbps以太網(wǎng)物理層只需要CAT 5電纜中的四對中的兩對。通過向每對應(yīng)用共模電壓，也可以在電纜的數(shù)據(jù)導(dǎo)體上傳輸功率 - 由于以太網(wǎng)技術(shù)的差分信號，這不會干擾電纜的數(shù)據(jù)傳輸。

IEEE 802.3af定義了兩種類型的PoE設(shè)備，即供電設(shè)備（PSE）和受電設(shè)備（PD）。 PSE從其自身的傳統(tǒng)電源獲取電力，然后管理通過以太網(wǎng)電纜網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PD的電力，PD通過RJ45連接器獲取所需的電力，而無需內(nèi)置電源。 PoE能夠通過長達數(shù)十米的典型以太網(wǎng)電纜為PD供電。

圖2：PoE端點電源插入實現(xiàn)。 （由Maxim Integrated提供）

PoE增加情報

SSL是“智能家居”的關(guān)鍵組成部分 - 這是一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和設(shè)備可以自動完成許多日常任務(wù)的住所。通過將燈連接到強大的計算設(shè)備（如專有控制器，智能手機，平板電腦和PC），SSL系統(tǒng)可以“未來驗證”，并能夠利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的新興功能。將SSL連接到現(xiàn)有的PoE局域網(wǎng)（LAN）可以為系統(tǒng)增加智能，而無需增加無線連接的復(fù)雜性和費用。

在PoE配置中，每個SSL實際上都是標準的RJ45連接器“插頭并播放具有自己的Internet協(xié)議（IP）地址的設(shè)備。該即插即用設(shè)備還可以包含傳感器（例如，用于檢測環(huán)境光水平并相應(yīng)地調(diào)整光的輸出），甚至還有其他功能，例如充當無線接入點。 PoE連接使每個SSL能夠發(fā)送有關(guān)本地環(huán)境的實時信息，例如，可以更精確地調(diào)整溫度和濕度（圖3）。

圖3：PoE連接的LED燈可以包含將數(shù)據(jù)發(fā)送回中央控制器的傳感器。 （由Maxim提供）

與傳統(tǒng)供電的照明相比，PoE連接的SSL還具有操作優(yōu)勢，特別是在緊急情況下。例如，在緊急情況下，燈可以照亮建筑物外的安全路線或通過改變顏色來指示危險區(qū)域。

Maxim Integrated已經(jīng)編寫了一份應(yīng)用說明 [3] ，它描述了與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施供電系統(tǒng)相比，PoE連接LED的優(yōu)勢。

符合PoE標準的LED驅(qū)動器

從照明設(shè)計師的角度來看，PoE連接SSL的關(guān)鍵優(yōu)勢在于降低了LED燈電源的復(fù)雜性。這使得LED產(chǎn)品更容易設(shè)計，更便宜，更緊湊，同時也減輕了熱管理挑戰(zhàn)。

連接到PoE插座的LED燈充當PD，從網(wǎng)絡(luò)吸取干凈，可調(diào)節(jié)的直流電源需要一個主功率調(diào)節(jié)級來從AC轉(zhuǎn)換為DC并降低電源電壓。然而，PoE（標稱）44 VDC電源不適合直接為LED供電，因為它們需要精心控制的恒流恒壓源。

有許多DC-DC LED驅(qū)動器適用于調(diào)節(jié)PoE電源。一些制造商甚至聲稱他們的設(shè)備符合“符合PoE標準”，而其他制造商則沒有提及合規(guī)性，即使他們的設(shè)備可以安全地用于PD。 “兼容”LED驅(qū)動器基本上可以接受PoE工作范圍內(nèi)的輸入電壓（標稱44 VDC，但通常在37-57 V范圍內(nèi)）。但是，有一些規(guī)則將PD的合規(guī)性作為一個完整的單元。例如，除了標準化備用對和共模數(shù)據(jù)對電力傳輸?shù)默F(xiàn)有實踐之外，PoE標準還提供PSE和PD之間的信令。該信令允許PSE檢測符合設(shè)備，避免損壞連接到網(wǎng)絡(luò)的非PoE設(shè)備。為了檢測PD，PSE在導(dǎo)體上施加2.8到10V之間的DC電壓，并通過測量回路電流來確定是否連接了PD。 PD應(yīng)提供19至27kΩ的電阻負載，并且120 nF或更小的并聯(lián)電容作為“特征”。

Maxim Integrated的MAX16832是適用于PoE照明的LED驅(qū)動器。該器件具有6.5至65 V的寬電壓輸入范圍（可輕松適應(yīng)PoE的37-57 V輸入范圍），并提供高達1 A的恒定輸出電流，精度為±3％。專用的PWM輸入可在很寬的亮度范圍內(nèi)實現(xiàn)脈沖LED調(diào)光。 2 MHz開關(guān)鼓勵使用更小的磁性元件。從45 V輸入驅(qū)動串聯(lián)驅(qū)動五個LED時，效率據(jù)稱約為95％。當LED燈串的溫度超過指定點時，模擬熱折返功能可降低LED電流。圖4顯示了MAX16832的典型應(yīng)用電路。

圖4：Maxim MAX16832 LED驅(qū)動器的應(yīng)用電路。

雖然該公司沒有專門為PoE應(yīng)用推廣其降壓LED驅(qū)動器，英飛凌的DEG6070芯片是符合PoE標準的產(chǎn)品電源的合適基礎(chǔ)。 ILD6070設(shè)計用于驅(qū)動普通照明應(yīng)用中的高功率LED，平均電流高達0.7 A，在輸入電壓范圍內(nèi)具有±3％的精度。芯片的輸入范圍為4.5至60 V，多功能PWM輸入信號允許使用模擬DC電壓或外部PWM信號對LED進行調(diào)光。一旦超過IC的可調(diào)結(jié)溫閾值，集成的過溫保護電路可降低LED電流。該公司表示，LED驅(qū)動器的效率可在很寬的范圍內(nèi)達到98％。

同樣，德州儀器（TI）提供多種寬輸入降壓LED驅(qū)動器，適用于PoE連接的LED燈應(yīng)用。一個很好的例子是LM3414HV，一種輸入電壓范圍為4到65 V的恒流器件，能夠以±3％的精度提供高達1 A的電流。據(jù)稱效率高達96％。據(jù)稱，該公司專有的脈沖電平調(diào)制（PLM）控制方法可確保高轉(zhuǎn)換效率和真正的平均電流調(diào)節(jié)。

即插即用LED燈

已配備PoE LAN的辦公設(shè)施，將SSL改造到網(wǎng)絡(luò)提供了一種享受LED照明優(yōu)勢的廉價方式。由于基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位，因此可以大大節(jié)省布線和專業(yè)人員的費用。不僅可以將燈插入RJ45連接器插座，而且網(wǎng)絡(luò)的信息承載能力增加了智能，而無需增加費用和無線連接的復(fù)雜性。

對于改裝LED燈的設(shè)計者，提供其產(chǎn)品的PoE版本是增加銷售的有希望的途徑。此外，由于該設(shè)計不需要相對低效的整流和初始電壓降壓階段，因此可以使LED燈的電源更小，更簡單，更便宜和更有效。許多芯片供應(yīng)商提供一系列集成降壓DC-DC LED驅(qū)動器，具有寬電壓輸入范圍，適用于PoE連接LED燈的電源。但是，設(shè)計人員有責任確保其產(chǎn)品符合IEEE802.3at或af標準，然后才能作為“PoE投訴”產(chǎn)品銷售。