本文介绍如何利用现代化以太网供电(PoE)技术为LED提供直流电源。PoE技术与传统的交流照明电源相比，系统效率相当。然而，如果使用局域网(LAN)将照明灯联网，从而实现附加利益，PoE技术则完胜，并且LED的维护成本较低。

    LED照明现在是主流技术，正在逐渐取代商业、工业以及住宅领域的白炽灯、卤素灯和小型荧光灯(CFL)。LED的好处已广为人知，其中包括使用寿命更长、能源效率更高，以及灯具尺寸非常小。举例来说，LED照明灯的使用寿命可达50,000个小时，而白炽灯寿命一般为1,000至2,000个小时，CFL的寿命为5,000至10,000个小时。由于使用寿命较长，LED降低了由于更换难以触及的照明灯而引起的操作/**风险以及人力成本。LED的使用成本也低得多，10WLED照明灯的亮度大约与60W白炽灯泡相当。尽管使用LED照明灯的好处已广为人知，但为其进行高效率供电的方式仍存在争议。本文介绍如何利用现代化以太网供电(PoE)技术为LED提供直流电源。PoE技术与传统的交流照明电源相比，系统效率相当。然而，如果使用局域网(LAN)将照明灯联网，从而实现附加利益，PoE技术则完胜，并且LED的维护成本较低。采用PoE技术的直流电源

    LED实质上是低压直流器件。为确保兼容传统的交流电源，大多数用于照明的LED驱动器利用交流/直流转换器将交流电源转换为较低的直流电压。这一转换过程降低了系统效率，所以设计者提出了基于直流的电源系统。有几项研究已经对普通交流系统与直流供电系统进行过比较。卡内基梅隆大学(CarnegieMellonUniversity)大学的一项研究2“发现：与使用交流电相比，使用直流电每年可节省$2,000。如果LED由并网的太阳能PV电源供电，与使用交流电相比，使用直流电每年可节省$5,000。”现在，根据*早颁布于2003年并在2009年更新的IEEE802.3标准，您可利用PoE技术为LED照明灯提供直流电源。该标准规定利用单根标准网线(如Cat5)直接为所连设备供电并进行数据通信，通过交换机/集线器上的供电设备(PSE)提供电源。被供电的联网设备(本例中为LED照明灯)称为受电设备(PD)。为考虑*差工作条件下的网络电缆损耗，PSE提供的电源高于PD的功率限值。*初的PoE标准(IEEE802.3af)规定，PSE电源使用Cat3或更高规格的电缆，在44VDC至57VDC电压范围内提供*大15.4W功率。在这种情况下，PD被限制到13.0W，电压范围为37VDC至57VDC。随后的IEEE802.3at标准将功率提高到30W(PSE)，电压范围为50VDC至57VDC，使用Cat5或更高规格的电缆。此时，PD被限制到*大25.5W，电压范围为50VDC至57VDC。预计将很快批准的IEEE802.3bt标准将进一步提高PoE功率，其中PSE输出端口的*小功率可达到90W(表1)。

表1：IEEE802.3功率容量，按功率等级分类

    通过PoE供电时，每个LED照明灯具可以是标准的RJ-45连接器即插即用设备，并具有自身可独立寻址的IP地址。不仅如此，为LED灯具增加传感器，即可将其从单纯的照明设备转换为智能LED集中器。采用这种配置，每个“智能”LED集中器可收集关于环境光、温度、湿度以及匿名居住信息，并传回控制器。例如，人员检测可确保在有人进入房间时打开照明，在房间无人时关闭照明(图1)。环境光传感器也支持日光收集5，以及调节LED照明，在没有日光时维持恒定的亮度。

图1:联网的照明和传感器集中器能够为使用照明的区域提供新功能，并在不需要时关闭照明

    PoE非常适合于通过LAN供电、连接和控制智能LED集中器。按照这种方式，LED照明系统就成为IT网络的一部分；通过任何联网设备(例如电话、平板电脑、PC)，其服务将不仅仅局限于用户附近，而是延伸至其它大厦服务。那么，用户就能够利用系统的接近检测传感器来寻找*近的空闲会议室。甚至能够为设施拥有者和管理者带来更大好处，使其能够整体了解设施的能源使用情况。通过实施测量、监测和控制网络的所有节点(包括加热和通风)，管理者能够发现提高能源利用率和运营效率的机会。有了这些信息之后，管理者就能够根据用户的历史行为数据，调整温度、照明以及清洁计划。

    另外一个好处是PoELED网络能够适应将来的发展。LED照明灯具(以及相关的智能传感器集中器)已经安装到所需的位置，并且电源和数据已经连接到大多数的有用位置。所以，现在只需较低的边际成本和相对较低的人力即可增加新传感器或通信模块，例如分布式短程无线接入点(图2)。

图2:利用集成有传感器的LED照明系统，智能网络集中器可提供有用的数据，提高能源利用率和运营效率

    这对我们意味着什么？显而易见，使用PoE可降低支持IP的设备的部署和安装成本，无论这些设备是传感器还是LED照明灯。由于数据和电源共用相同的电缆，降低了布线成本；由于安装网线不需要有资质的电工，所以也降低了安装成本；与110VAC(或220VAC)相比，PoE直流电压危险程度大大降低，所以安装过程也更加**。PoE网络支持更好的总体网络电源管理：既能够通过所连设备的电源实现离散控制，又能够在断电期间仅使用网络连接提供电源备份。第47届SuperBowl**赛就是PoE技术附加值的一个例子，当时断电造成照明和电梯停工了35分钟7。期间，体育场的WiFi?网络未受影响，因为网络通过PoE供电，具有电池备份。

    PoE照明系统的所有这些好处实际上又重新点燃了交流与直流供电的大讨论。有的人问：“怎么处理Cat5(或更高规格)电缆上引起的电阻损耗？”有的人则说：“如果您去掉交流供电系统中目前要求的附加交流/直流转换级，这些损耗足够低到能够实现可观的效率改善吗？”

    为分析这场争议，我们分析了为10W和20WLED照明灯供电的三种情形：其中两种情况下根据*初的IEEE802.3af(15.4WPSE和13.0WPD)及随后的IEEE802.3at(30W和25.5W)标准进行供电；交流供电则采用230VAC标准市电。

    PoE场景：电缆长度对效率的影响

    图3所示为典型PoE照明配置的方框图。CUIINCPSE-1000由230VAC市电供电，该设备的功率为1000W，典型效率为90%。PSE的供电由40W的MAX5984PSE控制器控制，PD使用70W的MAX5982控制器。电缆为Cat623AWG电缆，每股线的电阻为67欧姆每千米或0.067欧姆每米。详细的假设信息请参见图3和表2。

图3:典型的PoE照明配置，表明支持PoE功能的交换机/路由器如何控制多个照明设备

表2:配置组件

    由于安装效率受Cat6电缆长度的影响，针对10W和20W照明灯，我们分别考察了三种平均电缆长度：25m、50m，以及*大允许长度100m。表3所示为这些场景下的系统效率。

表3:PoE供电照明场景下的系统效率计算

    对于LED驱动器，我们在计算中采用95%效率。实际效率可能更高，如图5所示，其中所示为MAX16832LED驱动器的效率曲线。48V时，可能实现的效率更高。

图4:MAX16832LED驱动器的效率曲线

    现在再返回来看表2，根据电缆长度的不同，当然还有照明灯的功率，系统效率在79.7%至83.9%范围内变化。对于较高功率的LED照明灯，效率可能略有下降。因此，为了保证效率优势，*好保持每端口的功率稍低。这也允许更精细的控制。但由于20W(1800lm)LED照明灯大概相当于200W的卤素灯，所以这个条件是可以接受的。

    交流场景：电源转换对效率的影响

    在测试的交流场景中，直接为LED灯具提供交流电源，要求进行交流/直流转换，如图5所示。

图5:交流供电的LED灯具会发生极小的电缆功率损耗，但由于交流/直流转换的原因，效率损耗高于PoE场景

    交流场景中，电缆造成的功率损耗极小。大部分效率损耗是由于每个灯具要求的交流/直流转换造成的。MAX16841为离线式LED驱动器，包括恒定频率控制技术，通过工作在导通模式，确保在较低和较高交流电压下均保持*高转换效率。该模式*大程度降低总体导通和开关损耗。请参见MAX16841EVKIT数据资料，其中8个串联LED的效率在调光时为82.9%，无调光时为84.8%。输出功率为10W。

    交流与PoE的**比较

    以可调光LED灯具为例，交流系统效率(82.9%)仅略高于*大电缆长度为100m的10WPoELED灯具(效率为82.3%)。如果假设电缆为25mCat5电缆，那么交流效率实际上仅差了1%(82.9%相对于PoELED照明灯83.9%的效率)。随着每个灯具功率的提高，PoE系统效率下降，使得效率低于交流系统。

    *后，PoE系统和交流系统的效率比较将取决于特定应用的照明要求。如果个体输出功率保持较低，以及Cat5或Cat6电缆的长度较短，PoE电源效率将始终优于交流系统。所以，与交流电源相比，照明要求越精细，PoE供电LED的效率越高。

    还有一点要注意。我们的分析中以23AWGCat6电缆电阻为例。如果使用22AWGCat6电缆，PoE照明的效率甚至可进一步提高；虽然该电缆目前不如23AWGCat6电缆常用，但随着PoE照明的发展，应用会越来越广泛。

    总结

    我们之前的分析仅考虑了系统效率，并未计入实际成本。安装照明灯所要求的资质/执照等成本将取决于当地的规范和规章。所以，为了真正比较交流和PoE供电照明之间的成本差异，必须包括此类人工成本。

    除了成本和效率方面的考虑，我们不能忽略PoE供电LED照明灯的适应性：将传感器、无线通信模块以及嵌入式处理器集成至智能集线器。将智能LED灯/传感器集线器连接至局域网(LAN)，允许已安装的LED集线器快速支持并充分利用物联网(IoT)上涌现出的新技术，无需更换昂贵的照明灯，提供适应未来发展的技术。