LED型应急照明系统的电池技术介绍

LED 型应急照明系统市场可能是最成熟的市场之一。 尽管 LED 设备 20 多年前就适用于简单的出口标志，但在最近 6 年内才能切实用于应急照明系统。 随着能效和颜色一致性性能的提升以及价格的降低，白色 LED 已成为照明变革的催化剂。

凭借不断向前发展的技术和日益降低的价格，LED 能更好地适应各种不同应急照明系统。 而且，创新设计结合 LED 技术优势让照明设计人员拥有了一个重要的竞争利器。 针对备用工作和电路保护器件的电池/电能存储系统以及 LED 技术本身的发展，正为我们带来许多新机会。

本文将介绍 LED 型应急照明系统方面的最新技术并重点介绍全新元件的开发。 例如，能效的提升、更优的热性能以及更坚固耐用的 LED 正不断提高可靠性，降低维护成本。 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）。

在安全关键型应用中，尤其是存在火灾或爆炸风险的情况下，电路保护解决方案会让应急照明更加稳定、可靠。 诸如 LED 分流保护器（由 Bourns 提供）和 Polyswitch 电路保护器（由 TE Connectivity 提供）均是这方面的常用器件。

最后，电池技术最近几年来发展迅猛且使用锂离子电池已成为一种趋势，为我们带来了体积更小、电力更强劲的备用电池解决方案。 然而，如果不采用正确的保护措施，这些优势在一些安全关键型应用中会被视作火灾风险源。 超级电容器可作为一种替代解决方案，有些时候也是对电池的一种补充。 Eaton 的 PowerStor 系列已用于包括应急照明在内的大量应用中。

安全第一

无论是建筑内还是建筑外，无论在购物中心、地下停车场，还是飞机上、公共交通运输系统内，只要有人群聚集的地方，应急照明已是一种必不可少的安全措施。 尤其在火灾情况下，有效照明是确保快速、无痛苦撤离的关键。 光线充足、间隔合理并能指示最短逃生路径的应急出口标志非常重要，因为人们很快会变得不知所措。 通常情况下，人们总想从他们进入建筑的路径离开建筑，而这可能不是最有效的路径。

荧光灯在老旧设施中仍将使用，但会逐渐被 LED 灯取代。 用于更换传统 T8 荧光灯管的 LED 模块已经成为广受欢迎的改型照明装置。 通常来讲，LED 为我们展示了许多性能和成本优势，使其能够越来越多地用在许多应急照明应用中。 只要利用 LED 技术升级换代主照明系统，辅助型应急照明设施也极有可能被 LED 取代。

LED 技术越来越多的好处正不断地吸引着人们的眼球。 LED 灯使用寿命长、性能可靠，因此缩短了保养周期并降低了维护成本，非常适合应急照明系统。 LED 无铅、无汞，被认为是更环保的产品。 LED 被视作本安型产品，因此能在采矿、石油勘探和其他存在爆炸风险的环境下使用。 不含有任何玻璃成分，LED 更坚固耐用，拥有更强的抗撞击、抗振动性能，并且安装在公共场所时不易被人为损坏。

对于在常规电源故障时切换至备用电池或者应急发电机的应急照明系统来说，功耗普遍低于传统照明技术的 LED 产品是理想的选择。

作为一种点光源，LED 灯的自身性质使其能轻松控制光线焦点，让光线照射到需要的地方。这一特性结合高光学效率有助于进一步降低功耗。 把符合英国应急照明行业委员会 （ICEL）1 规定的最简单形式的、典型光束视角为 60o 的两个 1 W LED 以及与之配套的驱动器、逆变器和一个 3.6 V 电池，按照建议的间距安装在距离地板 3 m 的高度时，能在地板上轻松达到国际标准规定的亮度。

美观

LED 的另一个好处是，尤其在大规模照明的情况下可以让我们选择外形，把应急照明与建筑照明相结合。 现在，我们能够制造几乎任何尺寸和外形的灯具，能将其融入到现有建筑的各种结构和材料中。 灯条特别适用于楼梯和走廊，其他模块可以齐平安装在地板或者墙上，或者经过改造后安装到现有结构中。 能更好地隐藏应急照明灯具或将其融入到建筑中并给人以美的感受，使照明系统设计人员及其客户拥有了更大的灵活性。

Osram Semiconductor2 提供的一个案例研究说明了在该领域能取得什么样的成绩。 德国慕尼黑的 Karlplatz Stachus （U-bahn/S-Bahn） 地铁站在入口处采用了一段总长达 700 米的楼梯，且由于建筑结构本身的原因，只能通过楼梯扶手照明。 这种扶手照明能在作常规电源断开后继续通过电池供电，用作应急照明。 这种 Osram LED 装置功耗低，使得每 18 米长的扶手照明功耗仅需 100 W。

图 1：慕尼黑市 Stachus 的 S-Bahn 和 U-Bahn 地铁网入口区域采用了 LED 照明扶手，在电源故障时兼做应急照明。

LED 用于应急照明系统时，所需类型和技术规格在很大程度上由具体的应用决定。 不过，也有一些最令人满意的共同特点，如低功耗、发热少、高流明输出。 色温为 3000 至 6500 K，CRI 不低于 80，能效为 75 - 100 lm/W 的冷白光 LED 是对这类产品的典型要求。

根据具体应用，需要考虑的特性包括小尺寸、坚固耐用的外壳、可以做成灯条或其它形状的简单灵活的模块化设计，以及可通过备用电池或其它临时电源供电。

标志灯

诸如 Osram Opto Semiconductor 的 Duris P5 系列 LED 等器件显然适用于应急照明应用。 GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1A 属于自然白光器件 （4000 K），具有如台阶和出口通道上的应急标志灯所需的高能效、中等功率和寿命长等特点。 这些器件在 100 mA 时的典型光通量为 29 lm，光学效率为 96 lm/W，CRI 为 80 并且采用无引脚 SMD-2 封装。 典型正向电压为 3.02 V，最大正向电流为 250 mA，视角为 130o。 Duris P5 系列器件包括暖色 （3000 K） 和冷色 （5000 K） 光输出器件，技术规格与 4000 K 版器件类似。

对于要求更高流明效率的应用（尽管功耗也高），Osram 通过其 Golden Dragon Plus line 产品线提供 LUW W5AM 系列产品。 该系列器件在 350 mA 时的典型光通量为 116 lm 并在 1 A 时达到 273 lm。该系列也是专为应急照明系统中的标志灯而设计的，在外形非常扁平的封装中提供了一个高能效光源。 光效率在 100 mA 时为 146 lm/W，最高正向电流为 1 A，典型正向电流为 3.2 V 且热阻为 6.5 K/W。

图 2：Osram 的高能效 Golden Dragon Plus LED 适用于标志照明应用。

Philips Lumileds 也提供具有类似性能的器件。 LUXEON Z 4070 的色温为 4000 K，CRI 为 70。 500 mA 时的典型流明输出为 138 lm。 典型能效为 95 lm/W。 规格书中引用的另一个有用参数是器件尺寸和光输出比，并给出中等 LED 的尺寸光输出比值为 63 lm/mm²。 该器件能以无封装的开放形式提供，因此是整合到灯条或者模块中的理想器件。

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

Seoul Semiconductor 的 Acrich 系列单 LED 和多 LED 产品类型丰富，可提供大量属于光谱中冷白光段的器件。 6500 K STW8Q14BE 只是单 LED 系列器件中的一种，主要针对通用、室内和建筑照明应用。 这款 LED 集成了 ESD 保护功能，采用硅树脂封装并装配到一个耐热型热塑基体中。 其电气性能为：正向电压为 3.2 V（典型值），正向电流为 160 mA（典型值），流明密度为 35 lm （3700 至 7000 K），CRI 为 80（最小）和热阻为 18°C/W。

电路保护

尽管一些基于 LED 的预安装型应急照明模块出厂时附带了相关的电路，用来在常规电源与备用电源之间自动切换，但是为了提升耐用性和可靠性，可以再安装一个 LED 并联保护器件。 增加保护有助于将 LED 灯的维修和更换成本降至最低，用于由多个串联 LED 组成的长灯串且采用顺从电压相对较高的恒流电源时这种效果更为突出。

用多个 LED 组成灯串有许多好处。 电源设计简单是主要优势，而高电压、低电流电源能提升电源本身的能效。 外形的可扩展性、模块化和灵活性是选择 LED 灯串而非其他照明技术的几个重要决定因素。 不足之处是，只要灯串中的一个 LED 开路，其余器件就会全部关闭。 LED 故障可能由高温、静电放电 （ESD） 或者过压、过流事件造成。

采用齐纳二极管能轻松保护低功耗 LED 灯串。 对于高功率应用（工作电流高于 75 mA），建议采用有源 LED 并联保护器件，且这种器件比开路 LED 的功率耗散更小。 这些基于晶闸管的器件工作时，在不工作的 LED 周围进行分流并形成一个电桥，以确保灯串中的正常二极管仍能发光。

Bourns 是 LED 分流保护器件领域的领先制造商。 他们的 LSP0600BJR-S 采用 6 V 工作电压。为将保护水平提升至最高，设计人员应为每个 LED 配备一个该器件。 或者，为了将成本降至最低，可采用该系列中具有 9 V、13 V 和 18 V 保护功能的器件来分别隔离由两个、三个和四个 LED 组成的灯组。

Bourns 编写了一本很有用的白皮书3，详细解释了有关恒流电源顺从电压方面的电源问题。 该白皮书给出了示例电路和设计，重点介绍特定故障条件下对电源的要求以及 Bourns LSP 系列器件。 同时还给出了适用于 LED 灯串的电源架构。

过流保护

保护 LED 照明灯具以及应急照明电池免遭过流和热损坏，是 TE Connectivity 的 Raychem 电路保护产品的主要功能。 该公司指出，尽管比被取代的照明技术拥有相当长的使用寿命，但 LED 的使用寿命由很多因素决定，具体包括结温、工作电压和电流。

自复位聚合物正温度系数 （PPTC） 器件，如 TE 经久耐用的 PolySwitch 和 PolyZen 系列均展示了在 LED 保护电路中的高效性。 典型应用包括电源输入保护（阻止与电力线路耦合的瞬态和浪涌）、LED 驱动器电路输出保护、LED ESD 保护。 在高可靠性应急照明装置中，这些器件的保护功能尤其高效，因为它们能在故障清除、电路恢复后自动复位。

图 4： 从类型广泛的 PolySwitch 自恢复器件中精选的器件，可用于保护 LED 应急照明电路。

按照制造商提供的数据，大多数 LED 应用通过电源转换、控制器件与电源连接来控制 LED 驱动器的功率耗散。 诸如 PolySwitch 系列中的自恢复 PPTC 器件，其作用就是用来保护这些接口，避免超温、过流造成损坏。

一般工作情况下，熔断器处于低电阻状态； 出现过流时切换至高电阻状态。 这样，就可将故障条件下的电流降至一个稳定的低水平，有助于保护电路中的设备。 该器件会在故障清除前一直保持闭锁位置。 一旦电源恢复，该器件就会复位，然后电流恢复，电路恢复正常工作。 更详细的内容和电路图，可参阅 Digi-Key TechZone 中以前的文章。4

许多 LED 驱动器 IC 需要通过受保护的 DC 输入向二极管提供稳定电流。 把 PolySwitch 器件与 LED 驱动器 IC 串联，再并联一个齐纳或者瞬态抑制二极管等电压钳位器件将有助于实现高效保护。 PolySwitch 元件尺寸多样，结合微型 1608 封装器件后能够适应大多数紧凑型应用，可节省板空间和成本。 设计人员可选择的额定电流范围为 50 mA 至 3 A，额定电压范围为 6 V 至 60 V。

适用于 IC 保护的典型器件是 6 V nanoSMDC150F，其保持电流为 1.5 A，额定动作电流为 3 A，最高电流为 100 A 。动作时间为 0.3 s。

备用电源

超级电容器已越来越多地用作某些应用的备用电源，尤其在锂离子电池可能带来火灾风险的安全关键型系统中。 超级电容器的功率是电池功率的十倍多，使用周期更是电池的千倍以上。 这类电容器的功率密度比传统电解电容器高三个数量级。

它们还能与传统电池备用技术串联使用，以加强此类系统的性能，延长其使用寿命。 这些器件在应急照明应用中令人感兴趣的，是它们能用在保持和桥接电源系统中，即使电网电压故障时也能确保电源恒定。 超级电容器被认为比电池更环保，能帮助设计人员减小电池体积，延长电池寿命。

超级电容器市场的领先制造商是 Eaton。 他们的 XB 和 XV 系列圆柱形器件的电容值为 300 F 至 400 F，工作电压分别为 2.5 V 和 2.7 V。 这两个系列具有高功率密度所需的超低 ESR，能确保峰值电流时的电压降最小。 这些器件被认为特别适合 UPS 和备用电源系统以及应急照明装置。

XB 系列的典型器件为 PowerStor XB3550，其在 2.5 V 时的电容为 300 F。XV 系列中的顶级产品是 PowerStor XB3560 超级电容器，其在 2.7 V 额定电压下的电容为 400 F。

图 5：Eaton 的 PowerStor 超级电容器适于在各式各样的安全和工业应用中实现备用和电源桥接功能。

总结

尽管还不是一种完美的应用，但各种技术进步正推动着应急照明系统的发展，这些技术不仅包括 LED 本身，还包括那些用于非常重要的电路保护和电池备用功能的辅助子系统技术。 应急照明设计人员已能在该领域改造翻新产品，使产品与众不同，无论是新装置还是改型单元。