張青 聶叢偉

摘 要：LED作為第四代新型固態(tài)寬光譜照明光源，具有光效高、色溫覆蓋廣、顯色指數(shù)高，設(shè)計(jì)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明燈具。本文以無線傳能（WPT）應(yīng)用于LED照明的集合技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，主要闡釋了基于電磁感應(yīng)原理的電磁場傳能的相關(guān)技術(shù)，包括負(fù)載偵測技術(shù)、電磁場耦合技術(shù)、功能調(diào)整技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)其對LED照明的無線傳能技術(shù)。同時針對特定應(yīng)用方向，還簡單介紹了光源的組合技術(shù)，配合技術(shù)，熱設(shè)計(jì)技術(shù)以及與WPT相關(guān)的驅(qū)動技術(shù)。同時在技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，探討基于WPT的LED照明產(chǎn)品的電氣、機(jī)械接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：無線傳能；LED；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無線能量傳輸技術(shù)（WPT），又稱無接觸能量傳輸（Contactless Power Transmission， CPT）技術(shù)，即以非接觸的無線方式實(shí)現(xiàn)電源與用電設(shè)備之間的能量傳輸。目前，無線傳能技術(shù)主要有電磁感應(yīng)、磁共振、電場耦合和無線電波傳輸四種形式，它們的能量傳輸方式、效率以及傳輸?shù)木嚯x各不相同，其中電磁耦合方式由于實(shí)現(xiàn)與控制相對簡單，成為近距離、中小功率傳輸主流的方式，其能量傳輸效率達(dá)到70%以上。目前WPT技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)在手機(jī)及小型家電的充電方面得到應(yīng)用，大功率WPT技術(shù)進(jìn)展迅速，在電動汽車充電方面的研究也逐漸變熱，但在LED照明領(lǐng)域，目前尚沒有應(yīng)用。

一、國內(nèi)外無線傳能技術(shù)比較

國外在無線傳能技術(shù)方面研究較早。1890年，著名物理學(xué)家，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla） 提出無線傳能這一構(gòu)想后，逐漸吸引了很多著名大學(xué)，科研機(jī)構(gòu)，公司投入這方面的研究開發(fā)。2007年，麻省理工（MIT）用兩米外的一個電源，“隔空”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。2012年9月5號，手機(jī)通信廠商諾基亞聯(lián)合微軟發(fā)布了一款能夠?qū)崿F(xiàn)無線充電的手機(jī)。目前，奔馳，寶馬，奧迪等汽車廠家及通信公司高通等正在研究電動汽車的無線充電技術(shù)。另外，消費(fèi)電子領(lǐng)域的手機(jī)，音樂播放器充電，以及物聯(lián)網(wǎng)眾多的智能終端，體內(nèi)診療設(shè)備比如心臟起搏器，除顫器等的充電問題都引入這一技術(shù)。

我國在無線傳能技術(shù)領(lǐng)域起步較晚。1994年，電子科大的林為干院士第一次將微波傳能技術(shù)引進(jìn)到國內(nèi)；2010年，無線充電聯(lián)盟在北京正式將Qi無線充電技術(shù)引入中國。目前，國內(nèi)有一些高校及公司在進(jìn)行這方面的研究，主要的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域還集中在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域（如電動牙刷、電動剃須、MP3充電等），在LED照明方面還沒有相關(guān)報(bào)道。

二、無線傳能的LED技術(shù)

隨著LED技術(shù)的進(jìn)步，商品化的LED光源的發(fā)光效率已到達(dá)140-160lm/W，單燈功率大幅度下降，體積不斷縮小，人們的目光已從單純的追求LED發(fā)光效率的提升，逐步向LED燈具的其他性能轉(zhuǎn)移，如光譜的安全性、舒適性，燈具的便攜性、安全性及快速安裝維護(hù)等方面擴(kuò)展。

現(xiàn)行的LED燈具由光源部分與驅(qū)動電源兩部分構(gòu)成，電氣連接多采用開關(guān)、簧片觸點(diǎn)或者接線端子等方式，在長期多次使用或在潮濕、振動等惡劣環(huán)境下，開關(guān)觸點(diǎn)部分會發(fā)生氧化，導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸電阻增大引起高溫發(fā)熱甚至打火導(dǎo)致火災(zāi)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由燈具引起的火災(zāi)，80%以上就是這些因素造成的。而驅(qū)動電源的高壓部分，在潮濕環(huán)境中（如浴室、游泳池、水景等）電回路的裸露也易引起觸電事故，必須做好電氣隔離防護(hù)。在其他一些特定的惡劣環(huán)境中，比如礦井中使用的燈具，為避免開關(guān)打火導(dǎo)致瓦斯爆炸，有很高的防爆、防水等要求，電線引入結(jié)構(gòu)也會使燈具產(chǎn)生較高的成本，現(xiàn)場維護(hù)成本更高。 另外，由于燈具是一體結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時，需要現(xiàn)場斷電，整體更換或現(xiàn)場維修，而這又對現(xiàn)場維護(hù)人員的素質(zhì)提出了比較高的要求。

三、無線傳能的LED技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

將無線傳能與LED照明相結(jié)合，充分發(fā)揮LED效率高，設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，減少因漏電引起的觸電事故，減少火災(zāi)的發(fā)生，可實(shí)現(xiàn)非專業(yè)人員的快速替換，同時提高使用的靈活性。無線傳能LED燈具必將是繼無線傳能技術(shù)在消費(fèi)電子產(chǎn)品應(yīng)用快速發(fā)展后迅速崛起的產(chǎn)業(yè)。

主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：

（一）近距離、中小功率無線傳能技術(shù)

基于照明系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究電磁耦合方式磁共振方式的無線傳能技術(shù)，設(shè)計(jì)高電壓的傳能系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)（QI）傳能系統(tǒng)。具體為：

a.鐵氧體材料的特性和選擇；

b.磁場控制技術(shù)：主要研究磁場約束技術(shù)，提高耦合效率；

c.交變磁場的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生技術(shù)：單方向交變磁場和往復(fù)交變磁場的產(chǎn)生和對傳能效率的影響；

d.負(fù)載偵測技術(shù)：研究主動式和被動式負(fù)載偵測技術(shù)；

e.在傳能系統(tǒng)中的信號傳輸技術(shù)：燈的工作狀態(tài)信號的回傳技術(shù)和通過傳能系統(tǒng)對燈狀態(tài)的控制；

（二）LED照明燈具的設(shè)計(jì)研究

基于無線傳能供電系統(tǒng)，研究安全電壓下的光源可快速更換的高效率、高舒適度的LED光源。具體為：

a.高效、高舒適度LED光源的研究：提高電磁轉(zhuǎn)換效率和驅(qū)動效率；

b.高電壓，高效LED研究：在人體安全電壓范圍內(nèi)，盡量提高LED燈具供電電源，減少電流，提高傳輸效率；

c.超薄結(jié)構(gòu)LED照明燈具與光源的光學(xué)設(shè)計(jì)：薄型光束擴(kuò)散和聚合的光學(xué)元件及成型技術(shù)；

d.超薄結(jié)構(gòu)的LED燈具的散熱設(shè)計(jì)：研究高效對流散熱結(jié)構(gòu)及材料性能；

e.LED驅(qū)動方式與工作狀態(tài)對舒適度影響：直流恒流與脈沖恒流方式對照明舒適度的影響；

（三）無線傳能裝置與LED光源（燈具）的接口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

a.機(jī)械接口：研究供電裝備與光源的對接機(jī)械接口，實(shí)際符合傳能需要的連接，尺寸精度和快速安裝；

b.磁場接口：研究磁耦合的方式及接口結(jié)構(gòu)，提高磁場傳輸效率；

c.信號接口：研究磁信號的疊加和傳輸性能，實(shí)現(xiàn)控制信號的磁場傳輸。

四、結(jié)語

本文以無線傳能的LED技術(shù)為主線，介紹了一種基于無線傳能的LED新技術(shù)。對該技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行的簡要論述，為LED行業(yè)在創(chuàng)新方面提供了很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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