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)勢讓照明設(shè)計(jì)人員擁有了一個重要的競爭利器。 針對備用工作和電路保護(hù)器件的電池/電能存儲系統(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。

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，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)勢在一些安全關(guān)鍵型應(yīng)用中會被視作火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)源。 超級電容器可作為一種替代解決方案，有些時(shí)候也是對電池的一種補(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?？焖佟o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兊貌恢搿?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，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、抗振動性能，并且安裝在公共場所時(shí)不易被人為損壞。

對于在常規(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 （ICEL）1 規(guī)定的最簡單形式的、典型光束視角為 60o 的兩個 1 W LED 以及與之配套的驅(qū)動器、逆變器和一個 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切換，但是為了提升耐用性和可靠性，可以再安裝一個 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，用于由多個串聯(lián) LED 組成的長燈串且采用順從電壓相對較高的恒流電源時(shí)這種效果更為突出。

用多個 LED 組成燈串有許多好處。 電源設(shè)計(jì)簡單是主要優(yōu)勢，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)的幾個重要決定因素。 不足之處是，只要燈串中的一個 LED 開路，其余器件就會全部關(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 LED 配備一個該器件。 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、三個和四個 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穩(wěn)定的低水平，有助于保護(hù)電路中的設(shè)備。 該器件會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)動器 IC 串聯(lián)，再并聯(lián)一個齊納或者瞬態(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，額定動作電流為 3 A，最高電流為 100 A 。動作時(shí)間為 0.3 s。

備用電源

超級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)電解電容器高三個數(shù)量級。

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 系列中的頂級產(chǎn)品是 PowerStor XB3560 超級電容器，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。