室内LED照明电路方案设计

　　本文介绍LED在室内种植中扮演的角色，讨论它们带来的挑战，并给出了一些使用建议。此外，还提供了适合室内种植应用的LED和相关元器件的实例，它们来自多家公司，包括OSRAM、LuminousDevices、WürthElektronik、ams、RayVio和MicrochipTechnology。最后，本文还介绍UV光谱利用方面的最新发展动态，以及LED照明系统优化方面的其他要求。

　　不断发展的LED农业生态系统

　　由于消费照明市场的规模非常庞大，为厂商提供了更快推动先进技术发展的动力，而室内种植正可能因此而实现了从高压钠灯和其他光源向LED的迁移。因此，近年来LED的多样性、性能和可靠性得到了显著提升，同时成本却大为减少。例如，OSRAM的GHCS8PM1.24-4T2U-1型产品使用从646到666纳米（nm）（红色）光谱范围，发射功率为425毫瓦（mW），效率达到59%，辐射角度为80˚。

　　LuminousDevices的SST-10-B型产品的波长为450nm（蓝色），最低发射功率为510mW，效率达到57%。辐射角度可以指定为90°或130°。WürthElektronik的园艺LED包括150353GS74500型525nm（绿色）设备，辐射角度为125˚。这些制造商及其他厂商还提供适用于室内种植的其他波长的LED，从而覆盖种植业所需的整个光谱（图1）。

　　室内植物种植横跨多个学科，从植物学到种植和土壤科学，再到作物管理，现在还涉及到电子监视和控制系统。在这种环境中引入新光源，既具备一定的挑战性，也能带来回报，因为很快就有新的发现。在使用LED照明实现的最佳室内条件下，我们可以获得令人惊叹的结果。

　　位于日本多贺城的Mirai垂直生菜农场就是一个广泛提及的实例（图2）。这个25，000平方英尺的设施位于前索尼制造工厂的无尘室中，自2015年以来，每天收获数千株生菜以及其他植物。它使用17，500个LED灯实现了这个目标，在无菌环境中，没有使用杀虫剂，用水量仅为正常条件的1/50，食物废物量也减少了40%。

　　多功能性伴随的挑战

　　有意思的是，LED的多功能性或许是它在室内种植方面具备的最独特的主要优势之一，但同时也让实现基于LED的室内种植变得更加复杂。例如，由于它们是可调光的，因此驱动器必须包括这种功能。另外，要提供适合植物的波长，还需要掌握有关LED复杂规格的知识。

　　LED是一种固态装置，需要注意简单的“灯泡”所不要求的诸多因素，例如可靠的快断式过载保护、二极管与控制电路的精确匹配等。幸运的是，园艺学（尤其是垂直种植）的快速发展给照明元器件制造商带来了动力，促使他们专门针对此类应用开发完整的生态系统，包括参考设计、评估板以及涵盖基础到高级的技术文献，让设计人员的工作变得轻松多了。

　　一些种植者普遍存在的一种误解是，LED产生的热量小于高压钠灯，但实际上只有当LED灯具在较低功率下工作时才是这样。也就是说，600瓦特的LED灯具和600瓦特的高压钠灯产生的热量大致相等。两者之间的差异在于产生了多少光能，以及从灯具辐射热量的方式。

　　从高压钠灯光源发出的热量可能达到800°F并向农作物辐射，而LED中的热量位于二极管及其电子元件在印刷电路板上的贴装位置，不会集中到植物上。这正是LED在垂直种植方面远优于高压钠灯的主要原因，因为它们能够放置在距离植物非常近的位置，而不会造成损害。

　　基于以上讨论，选择较低功率的LED是合情合理的选择，近距离、多层应用通常便是这种情况。但是，大多数低功率LED具有固定的辐射角度，而高功率LED则提供从80至150度变化辐射角度。另外，要达到与高功率LED匹配的性能，需要的低功率LED数量要多得多。高功率LED通常最适合种植棚应用，在此应用中，它们凭借更大的输出，能够从一定的距离之外覆盖广阔的范围。

　　但是，LED灯具产生的热量仍然存在，必须通过热管理系统迅速从电路板耗散，否则LED的使用寿命将会缩短，完全失灵的情况也不罕见。主要冷却方法包括带有散热器的被动冷却灯具，或者使用风扇或水冷的主动冷却灯具。后一种类型需要消耗能量，而且作为机械装置，它们可能会失灵，导致LED过热。

　　优化工作寿命

　　制造商指定的LED工作寿命通常至少达到20，000小时，最高可达50，000小时，其中工作寿命结束指的是亮度比原始值降低70%。LED照明系统设计人员的目标是确保LED达到额定工作寿命，同时通过稳定输入电压和电流，长时间保持最大的输出。这个目标要依靠电源才能达到，特别是LED驱动器，需要持续从温度传感器采集数据，并且执行调整以保持最佳性能。为了补充这些功能，需要能够实时测量光源的亮度，并将信息再次馈送到驱动器。为实现此目标，光谱传感器是最具性价比且复杂度最低的方法。

　　例如，ams提供了光谱传感器系列，用于实时测量LED的实际光谱轮廓，直接控制LED驱动器以调节输出，直至它与指定的色度和强度目标值相匹配。AS7263-BLGT型号具有六个独立的滤光片，其光谱响应被量身定制为600至870nm范围内（图3），而AS7262-BLGT则覆盖450至650nm范围。通过配合使用，可以在灯具内部或直接在植物级别精确地监控各个LED。通信是采用基于文本的消息，通过UART或I²C提供。总之，这些传感器结合其他功能，能够让LED的工作寿命得到优化，同时实现趋势分析和其他分析。

　　电路保护

　　大多数应用都要求为LED灯串馈入恒流电源，而在长灯串中进行这种设计可能具有一定的挑战性。电路保护要依赖于控制系统内的多个元器件，因为从LED到无源和有源元器件的整个控制电路必须受到瞬态保护。主要的过压保护器件是位于AC输入端的金属氧化物压敏电阻（MOV），它能提供高级别的瞬态电压抑制，并且减少环波效应导致的应力。它吸收可能具有破坏性的能量，并将其作为热量散发，从而帮助保护元器件。LED灯串驱动器电路通常包括一个正温度系数（PTC）电阻器，用于防止LED出现过流和超温，还包括一个用于过压保护的并行瞬态电压抑制（TVS）二极管。线性整流电路应该在输出上包含高压直流保险丝，用以提供二次保护。另外建议添加与LED串联的自恢复保险丝，以防止热击穿。

　　另一个注意事项是，室内种植通常需要相对较高的环境温度和高湿度，以促进植物生长，因此照明系统必须能够在这种环境下工作。另外，其他应用中使用的灯具在整个工作寿命中都保持在同一位置，与它们不同，在垂直农场应用中，灯具设计为可以抬升、下降或重新定位，以优化植物生长。这会影响它们的接线要求，UL8000标准对这些要求做出了详细规定。

　　驱动器注意事项

　　驱动器主要有两种类型，分别是使用低压直流输入电源和高压交流电源的驱动器。例如，MicrochipTechnology的CL88030-E/MF设计用于直接从120、230或277VAC电源驱动一长串低电流LED。典型应用包括驱动器IC、四个电源FET、四个电阻器、两个电容器和一个桥式整流器。同时提供过热保护，可随着温度升高逐渐减少光输出和电源调整率。使用NTC热敏电阻有助于实现额外的过热保护功能（图4）。

　　能够串联的LED数量取决于驱动器、输入电压、电气法规和安全标准。由于只需使用单个驱动器，而且通过每个LED的电流相等，因此有利于串联放置LED。但是，它会导致高输出电压，因而需要更大的电路元器件，还可能需要满足更多安全标准。

　　串联-并联阵列的输入电压较低，并可减少发生电击的机会。如果某个LED支路发生故障，则其他支路将会继续工作，单个LED的故障不会让整个阵列停止工作。也就是说，该驱动器是恒流电源，因此将迫使更多的电流进入工作器件，有可能导致过热。串联-并联阵列也不允许LED均等共享驱动电流，除非LED的正向电压非常接近。

　　这些问题的一个解决方法是为每个LED灯串使用驱动器，这样可以提供最高的可靠性，但也会增加成本和尺寸。使用这种方法，即使有多个LED灯串出现故障，也可以实现一些光输出。

　　紫外线光照问题

　　在学术界和行业内部，对于光谱介于280至385nm之间的紫外线“B”（UV-B）非可见光部分的LED能否用于种植植物的问题，一直众说纷纭。紫外线通常被认为不太适合室内种植，因为它在光合有效波长的范围之外。因此，直到大约15年前，人们才在这个问题上展开了少量研究。

　　人们对这一光谱区域不太感兴趣的另一个因素是安全性：众所周知，UV-B光子会导致人体和植物的细胞受损。事实上，照明设备制造商采取了很多措施，大幅减少了设备发射的紫外线。因此，要在室内种植中采用紫外线，就需要为照射范围内的每个人采取全面的保护措施。

　　垂直种植行业和农业领域普遍感兴趣的一个问题是植物对UV-B光的反应，它会导致植物激活自身的防御机制，防止遭受这些波长光线的损害。研究表明，一些植物如果暴露在UV-B光下，可能会产生15种不同的防御蛋白。其中一些蛋白会影响植物的气味、颜色和味道以及抗病能力，而这些蛋白是其他波长不会产生的。

　　随着UV-B特异光受体（UVR8）在21世纪初被发现，并在2011年被定性，我们在这个争论不休的问题上终于看到了一线曙光。我们目前还没有明确了解UVR8控制基因表达的机制，也不知道UVR8通路的工作原理，以及如何与处于其他光受体控制下的其他通路发生交互。

　　但是，科学文献已经指出了UV-B光带来的诸多潜在益处，包括减少外延生长、增加叶片厚度和蜡质、优化红叶生菜和其他一些植物的叶片显色、对病原体和昆虫具有很强抵抗力、将保质期提高一倍、增加有利的抗氧化剂和类黄酮的生产、提高水果和蔬菜的营养价值。

　　要确定这些益处是否确实存在，是否值得投入大量的时间、设备和培训在室内种植中使用UV-B光照并确保安全性，我们仍然还有很多研究工作要做。在此期间，市场上已经推出了面向其他应用的UVLED，例如RayVioModel的RVXR-280-SB-073105UVLED星形板，光谱波长为280nm。

　　总结

　　LED带来了灵活性，但伴随而来的挑战也远超出使用像高压钠灯这样相对简单的光源。尽管如此，它让我们能够在更小的空间内种植更多植物，无需化学品，减少甚至杜绝土壤的使用，同时增加蔬菜的营养价值，改善植物的开花情况，这些优点都具有极大的吸引力。因此，照明和半导体元器件行业正在利用得到广泛支持的解决方案来简化LED照明应用，同时还在不断改进这项技术。