和灯泡或日光灯管比较起来，LED不单体积更小，而且放射出来的光线具有方向性并可由一个低压的直流电驱动。以太网络供电（PoE）是一个IEEE认可的标准，它透过标准的以太网络电缆提供电力，而这些电缆同时也可提供网络服务。PoE供电系统可在长达100米的电缆上，在48VDC下提供15W的电力，而48VDC的分配式总线是在电缆末端发放低功率和高亮度光线的最佳选择。此外，对于LED驱动器而言，采用DC-DC转换器比起AC-DC转换器的效果更佳，因为后者需使用更多零件和空间，而且效率亦比较低。事实上，LED和PoE两者好像是互为对方而生，合适的PoE再加上高功率的LED，即可诞生出一个无懈可击的方案。

完美方案

IEEE 802.11af规定在电源处的最高功率为15W。在一般电压48V下，输出电流为350mA。

然而，CAT5以太网络电缆原本在设计时并没有预期要用来输送电力，故一般只是采用细小的24线规铜线。因此，长距离的功率损耗（PoE电缆的长度可达100米）可达2W，剩下只有约13W给负载。为了解决这个问题，需要使用10个1W的LED来组成一个光源，并用一条12英尺长的CAT5电缆把灯泡连接至电源。这样一来，LED的照明效能便可大幅提升，标准的1W装置可发出每瓦50流明的亮度，而最好的装置则可达每瓦100流明，并将不断改进。

北美的LED制造商所制造的1W功率LED将LED的裸片与表面黏着封装结合，当中包括一块可提供朗伯（lambertian）观景角度的镜片和一个用来安放裸片的铜套，以便为散热提供一个低热敏电阻接口。这一系列的1W LED装置，共有七种颜色：红、红橙、黄、绿、青、蓝和蔚蓝，以及三种白色的色温：冷白（5000K～10000K）、软白（3500K～5000K）和暖白（2600K～3500K）。PoE「馈电器」是一个供电系统（PSE），它从以太网络电缆提取数据并在双绞线上加入电源。具备有八个输出埠的馈电器可从数家电讯设备制造商处购得，代表这个「方案」是一个照明系统，每种颜色均有一个PoE LED灯，能够在任何给定时间供电给八个LED灯。

《》

电源方案

现今有数家模拟半导体制造商可提供两种基本的零件来制件10W的PoE LED灯，它们是802.11af认可的受电装置（PD）接口和一个高效率的LED驱动器。该PD接口可检测PSE的以太网络供电可用性，并且可以在起动时为涌流限制提供软起动，亦可在备用状态期间提供电流限制和「电源良好」卷标的逻辑讯号，以便告知负载电源己准备发送。图一所示为PoE LED的电路原理图，它提供有一个PD接口但不包括任何类型的开关式稳压控制器。这个设计可自由选用任何的DC-DC转换器拓墣。

串连成一行的十个LED需要的总电压范围由22.5V（AlInGaP红色和黄色LEDs的典型顺向电压）至40V（用来顺向偏压InGaN绿、蓝和白色LED的最大电压）。这意味即使在最恶劣的条件下，LED驱动器的输出电压都将会比输入电压为低，从而允许使用升压或降压稳压器来驱动LED。

(公式一)

即使输出电流是一个可控制的参数，但它其实亦是输入电压和输出电压之间的一种关系，并可支配什么样的DC-DC转换器拓墣作为设计。高功率效率和低零件用量支持降压稳压器比起其他任何类型的开关稳压器能得出更佳的LED驱动效果。

LED驱动器是一个DC-DC电源，它提取输入电压并在一个输出电压范围下提供一个受控的输出电流。这种做法刚好与传统的功率DC-DC转换器相反，因为它们是在一个输出电流的范围下提供一个受控的输出电压。可是，乍看之下，使用在PoE LED灯的开关稳压器的确与其他降压稳压器很相似，它包含全部所需的主要组件：一个功率开关（内置于电路的N-MOSFET）、一个用作电流再循环的肖特基（Schottky）二极管、一个电感器，以及输入和输出电容器。不过，假如深入地观察便会发现两者间的分别，而这个分别就促使这个降压稳压器变成一个电流控制LED驱动器。在设计中，LED串行取代了上面的回馈分频器电阻，而在底下的回馈分压器电阻其实是一个电流感测电阻器。在这种配置中，输出电压会不断上升直至有足够的电流流通电流感测电阻，并令到输出电压相当于回馈电压。假如把LED放置在V0和CS之间，电流一样会通过它们。至于输出电容器，它们会与LED并列在一起形成一个滤波器，以降低通过LED的涟波电流。一个降压LED驱动器可在没有任何的输出电容器下运行，在这情况下的电感便需负责控制LED的涟波电流。对于一些需要严谨控制涟波电流的应用来说，这会导致所需的电感增加，进而造成电感器本身的体积过大。

美国电源管理集成电路供货商所供应的降压稳压器，专门用来利用定流去供电给LED，并且可提供超过70V的输入电压范围和超过48V PoE的宽阔输入。其降压稳压器有两个特点使它不同于其他稳压器。首先，回馈电压（易名为CS，即电流侦测）会内部地削减至0.2V，以便将R2内的功率耗散减至最少。其次，其启动引脚（易名为DIM）是一个快速逻辑输入，它只会关闭功率FET。这样的安排可以减少传导延迟，并且可在用PWM调光时达到最佳的对比率。

《图二 PoE 灯的内部俯瞰图》

散热方案

作为一个完美的方案，最高的机箱温度被规定为50℃以下，如超过这个临界值，那么工程人员便无法在制作LED灯时把手放在机箱上。此外，美国LED制造商亦生产1英吋×5英吋的金属核心电路板（MCPCB）XR LED，这种LED每一个占据1平方英吋的空间。所有五个装置都串行在一起，以确保每个的驱动电流是相同，并且每个LED的光输出都得到平衡。两行共十个LED所占的面积约为2×5英吋，其总光线输出介于冷白的500流明至蓝色的150流明。（蔚蓝色LED之光线输出值由辐射度功率所指定）。两行LED会被安置在一个镁制机箱的前端，大小为6英吋宽、2.5英吋高和4英吋深。至于散热方面则由一对置于箱外的镁金属散热器来负责，其大小为1.75英吋×2.25英吋×0.5英吋，它直接被安装在机箱前面的MCPCB之后。散热油脂会施加到MCPCB和散热器上，使到机箱本身可作进一步散热。

美国电源管理集成电路供货商所供应的PoE用电设备控制器，同样备有表面黏着封装，在外面有一个外露的散热片。通常，电源电路都需承受较高的环境温度，而LED应用亦不例外。这种散热加强封装善用了PCB作为散热器。驱动电子被安装在标准的FR-4上并且如图二所示通过一条电线连接到LED。至于封装的热阻，例如是安装在含有两盎司铜成份的FR-4上的eTSSOP-14和PSOP-8，其热阻大约为50℃/W。对于这类LED灯来说，其机械设计并不容许将LED驱动器放置在设有LED的MCPCB上，但必须注意到具备有外露散热片的封装，当它们安装在MCPCB上时的热阻会低于10℃/W。因此，照明系统的设计人员可以利用这个优势来用尽驱动电子的每一个毫瓦。

PWM调光

假如所设计出来的LED照明系统，需要在某特定的光线输出范围内维持LED的颜色或色温时，便必须采用脉冲宽度调变（PWM）技术来调光。然而，最麻烦的地方是要找出一个调光频率，而该频率不会造成听觉范围内的噪声。在LED驱动器内的电源开关频率通常介乎100kHz和1MHz之间，远远超出人类的可听范围。一般而言，调光频率都会低很多，原因是开启和关闭一个开关转换器的输出，其所需的时间会比开关一个功率MOSFET长很多。基于这个原因，由LED驱动器开关周期所引致的传导延迟和输出电流转换率会消耗某一固定量的时间。随着调光频率的增加，调光周期时间便会下降，从而令固定时间内的延迟会消耗更大部份的调光周期。

一个采用单精度定时器的方波产生器能提供50％至100％的调光功能，并且可在具备7V备用功率的LED稳压器下运行。这个低成本的纯粹仿真方案并非最理想的操作，尤其在LED照明设计人员最关注的噪声问题上。单精度定时器定时器会作为一个异步多重振荡器，随着工作周期的变化而改变频率，因此设计初期会用上尽可能低的频率，例如是200Hz至300Hz，因为一般来说200Hz会被视为最低的频率，在这频率下所产生的闪烁和个别脉冲都是肉眼看不到的。如此一来，设计会在100％以外的任何调光工作周期下，产生出一种清楚可听而且令人烦扰的嗡嗡声，因此令到最终的调光频率由增加至20kHz。这种可听噪声会延伸到最终的设计，原因是在50％的最低工作周期时，单精度定时器会变得稍为非线性，导致在大约50％调光时出现调光频率急降。假如进一步增加调光频率，便会将LM3402HV的DIM接脚的响应时间推至极限。一个简单的微控制器能够在固定的频率下处理从0至100％的工作周期，从而缔造出一个超级的调光方案，尤其是当它可从一个像单精度定时器的VCC稳压器之备用功率下运行。

结语

一个简单的微控制器能够在固定的频率下处理从0至100％的工作周期，从而缔造出一个超级的调光方案，尤其是当它可从一个像单精度定时器的VCC稳压器之备用功率下运行。

XR LED的官方功率耗散大约为1W，但如要精确地计算出真正的典型功率，便必须将它们的顺向电流300mA乘以其顺向电压。表一为在25℃和温度稳定状态下时各颜色LED的典型VF值，而数据是在实验室温度25℃下将灯开着一小时后录取。虽然真正的裸片温度难以测量，但可凭InGaN和AlInGaP的顺向电压系数来估计出最终的裸片温度，结果发现温度远远低于由美国LED制造商规定的125℃限制范围以内。

虽然至目前为止尚未进行量产，但PoE LED灯已展示了其将两种技术结合后的优点，能够轻易地在一些没有AC电源提供的地方设立照明设施。PoE供电系统提供隔离和功率因子修正，从而减轻了在电源网络上设立照明的负担。建于灯后的内置开/关和调光控制可以通过以太网络的闲置数据线来作远程控制。适合这个方案的应用包括有舞台或电影院灯光、临时布置灯光、保安摄影机照明或现时常用于展览会的地上投影效果。

--作者为NS 美国国家半导体Staff Applications--