為了節(jié)約能源，電源行業(yè)不斷提出許多創(chuàng)新方法來(lái)提高效率，包括電子到電子的轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換比正在接近物理極限，同時(shí)也在鼓勵(lì)研究和發(fā)明，并實(shí)現(xiàn)了以前無(wú)法做到或至少是在成本上行不通的應(yīng)用。在照明領(lǐng)域，新的應(yīng)用需要電源設(shè)計(jì)人員探索新的方向，而電子到光子的有效轉(zhuǎn)換開(kāi)辟了未來(lái)的照明。

1860年，英國(guó)發(fā)明家Joseph Wilson Swan爵士創(chuàng)造了首個(gè)電燈泡概念。繼而，1879年，Thomas Edison和他的團(tuán)隊(duì)在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的嘗試后，完善了碳絲白熾燈并獲得專(zhuān)利，這就是后來(lái)被世界各地普遍使用的“愛(ài)迪生燈泡”。自那以后，照明行業(yè)一直在不斷的發(fā)展。從1932年飛利浦引進(jìn)鈉燈，1938年通用電氣公司將熒光燈商業(yè)化，到“照明節(jié)能”概念的引入，這個(gè)領(lǐng)域變得極具創(chuàng)新，也為健康、安全和可持續(xù)發(fā)展方面的關(guān)鍵技術(shù)做出了貢獻(xiàn)。

照明領(lǐng)域這一系列驚異的創(chuàng)新，不僅能減少能源的消耗，還使我們的生活變得更加美好，但在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，真正的好處并不總是顯而易見(jiàn)。從“如何節(jié)省大型體育場(chǎng)照明消耗的3/4的能源，到如何為2050年預(yù)計(jì)達(dá)到100億的人口種植糧食”，能源效率和智能照明是解決方案的一部分！那么這又怎么實(shí)現(xiàn)呢？

體育場(chǎng)等場(chǎng)所的固態(tài)照明！

照明市場(chǎng)非常多樣化，但是基于LED的固態(tài)照明（SSL）已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的燈泡，使得愛(ài)迪生燈泡變得過(guò)時(shí)，SSL同樣也在侵占熒光燈市場(chǎng)。SSL提供的可能性不僅為道路、停車(chē)場(chǎng)、體育場(chǎng)和舞臺(tái)等工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)了照明優(yōu)勢(shì)（圖1），也為城市農(nóng)業(yè)、園藝、水凈化、醫(yī)療照明和光療法帶來(lái)了這類(lèi)優(yōu)勢(shì)。

在電子與光子相遇處，電源設(shè)計(jì)人員與LED制造商需要密切合作。所謂的“氮化鎵（GaN）照明”就是一個(gè)例子，即在電源級(jí)使用氮化鎵晶體管，在LED元件內(nèi)使用硅基氮化鎵工藝。雖然這是一件趣事，但它反映了GaN在電源和照明行業(yè)中使用的行業(yè)成熟度。作為一名電源設(shè)計(jì)工程師，關(guān)注這兩種技術(shù)非常有必要，而且可以預(yù)知這兩種技術(shù)結(jié)合將會(huì)帶來(lái)巨大的好處。

SSL照明目前在照明市場(chǎng)的某些領(lǐng)域占據(jù)優(yōu)勢(shì)——在這些領(lǐng)域，更換一個(gè)燈泡會(huì)產(chǎn)生非常高昂的費(fèi)用，而可能使最終用戶(hù)花費(fèi)的成本超過(guò)燈泡本身。例如，燈桿太高可能需要使用升降機(jī)才能夠到燈具。又例如，在橋上或在隧道中更換燈泡必須要暫?；蛘吒淖兘煌肪€(xiàn)。SSL的持久特性可使這些類(lèi)型的應(yīng)用受益。此外，SSL比起它們將要替代的典型高壓燈來(lái)說(shuō)，效率會(huì)高很多，因此在提供相同亮度時(shí)，功耗可以顯著降低，這通常會(huì)為最終用戶(hù)帶來(lái)非常好的投資回報(bào)率，同時(shí)也會(huì)對(duì)降低能耗做出很大貢獻(xiàn)。

另一個(gè)例子是美國(guó)休斯頓的NRG體育場(chǎng)，它在2015年成為第一個(gè)使用LED節(jié)能燈的專(zhuān)業(yè)場(chǎng)館之一?，F(xiàn)場(chǎng)照明由65000個(gè)LED燈全部提供，滿(mǎn)功率情況下消耗337kW！盡管這看上去是個(gè)很大的能耗，但它比以前使用傳統(tǒng)體育場(chǎng)照明的系統(tǒng)節(jié)省了約60%的電量，預(yù)計(jì)未來(lái)將達(dá)到節(jié)省75%能耗的目標(biāo)。盡管節(jié)能非常顯著，但這只是SSL技術(shù)和高效電源管理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)限可能的開(kāi)始。越來(lái)越多的大型基礎(chǔ)設(shè)施和城市正在用數(shù)字控制的SSL替換老舊的照明系統(tǒng)，再加上可再生能源的使用，我們正在接近零排放照明過(guò)程（從發(fā)電到用電）的神話(huà)。

為所有人的食物提供照明！

現(xiàn)在世界上大約有76億人口，每年世界人口又以8300萬(wàn)的數(shù)量增加。到2050年，這個(gè)數(shù)字將接近100億。為100億人口提供糧食要求農(nóng)業(yè)擁有非常高效的生產(chǎn)模式，同時(shí)通過(guò)減少有害化學(xué)物質(zhì)生成和優(yōu)化水資源來(lái)保護(hù)環(huán)境。

在最近的一份資料中，世界銀行很好地描繪了世界各地糧食供應(yīng)的情況和對(duì)未來(lái)的預(yù)期?！暗?050年，至少需要多生產(chǎn)50%的糧食才能養(yǎng)活100億人。但是氣候變化會(huì)使農(nóng)作物減產(chǎn)25%以上。土地、生物多樣性、海洋、森林和其他形式的自然資源正以前所未有的速度枯竭。除非我們改變種植糧食和管理自然資源的方式，否則糧食安全——尤其是對(duì)世界上最貧窮的國(guó)家而言——將面臨風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

考慮到食物生產(chǎn)中的參數(shù)和要求對(duì)環(huán)境的影響，1999年，Dickson Despommier博士和他的學(xué)生們提出了現(xiàn)代室內(nèi)農(nóng)業(yè)的概念，振興了1915年美國(guó)地質(zhì)學(xué)家Gilbert Ellis Bailey創(chuàng)造的術(shù)語(yǔ)“立體農(nóng)業(yè)”。我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)它, 讀過(guò)很多關(guān)于將工業(yè)建筑轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw農(nóng)場(chǎng)的文章, 但是從早期使用熒光燈或鹵素?zé)舻絊SL，大量的技術(shù)創(chuàng)新有助于優(yōu)化為植物提供的能量，以便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)農(nóng)業(yè)效益的倍增。從空間利用率來(lái)看，與常規(guī)農(nóng)業(yè)相比，室內(nèi)農(nóng)業(yè)每平方米生產(chǎn)的食物增加了100倍，而水的使用降低了90%，有害化學(xué)物質(zhì)減少到零，因此非常有吸引力，但要做到真正高效，這種農(nóng)業(yè)需要有非常高效的照明系統(tǒng)(圖2)。

不是所有的蔬菜都能在有限的土壤和營(yíng)養(yǎng)條件下生長(zhǎng)，但是對(duì)于適用于這種耕作方法的蔬菜來(lái)說(shuō)，效果令人震驚，而當(dāng)使用計(jì)算機(jī)控制的現(xiàn)代照明技術(shù)（這對(duì)電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有趣的探索領(lǐng)域），并結(jié)合高級(jí)電力電子技術(shù)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以及軟件時(shí)，效果則更令人震驚。

自此概念引進(jìn)以來(lái)，室內(nèi)農(nóng)業(yè)工程師進(jìn)行研究，驗(yàn)證了不同植物高效生長(zhǎng)所需的光譜和能量。從廣譜熒光燈或鹵素?zé)舻秸V燈，傳統(tǒng)照明行業(yè)進(jìn)行了大量的創(chuàng)新，但這些技術(shù)的靈活性和效率都不足以滿(mǎn)足需求。

繼2005-2008年在日本進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)后，農(nóng)藝學(xué)研究人員研究了不同的照明方法，調(diào)節(jié)光譜和能量來(lái)適應(yīng)特定的植物。研究人員得出結(jié)論，種植植物和蔬菜的特定光譜通常從450nm（藍(lán)光）開(kāi)始，直到730nm（遠(yuǎn)紅光）（圖3）。光合光子通量密度（PPFD）要求的范圍從蘑菇的50微摩爾（μmol），到番茄等植物的2000μmol，以及一些花可以在全日光下茁壯生長(zhǎng)（圖4）。農(nóng)業(yè)專(zhuān)家告訴我們，為了達(dá)到最佳效果，從幼苗到成熟階段，不同的植物種類(lèi)可能需要不同的光譜，以及不同的光平衡和強(qiáng)度。這通常要求人造光具有許多不同的光譜通道，并且可以單獨(dú)調(diào)節(jié)強(qiáng)度。

圖 3：種植植物和蔬菜的光譜通常從450nm（藍(lán)光）開(kāi)始，直到730nm（遠(yuǎn)紅光）。（來(lái)源：PRBX）

圖4：不同植物所需光能范圍，從蘑菇的50微摩爾（μmol）到強(qiáng)光植物的2000μmol。（來(lái)源：PRBX）

城市農(nóng)場(chǎng)正漸漸轉(zhuǎn)向現(xiàn)代SSL照明，特別是在光源能效穩(wěn)步增加的時(shí)候。這種增效還可降低冷卻成本，因?yàn)檫^(guò)高的空氣或土壤溫度會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。LED照明使種植者可以?xún)H使用植物所需光譜能量的光（通常為紅色和藍(lán)色），而不必提供全光譜照明而浪費(fèi)掉植物無(wú)法利用的大多數(shù)光，從而節(jié)省能源。這可能使你回想到你在小學(xué)的時(shí)候，問(wèn)老師“為什么植物是綠色的？”（如果你從未問(wèn)過(guò)這個(gè)問(wèn)題，那告訴你答案是因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物不吸收（使用）綠光，因此它反射到你的眼睛，就使植物看起來(lái)是綠色。）

如今，多種LED燈被廣泛應(yīng)用于蔬菜的高效生長(zhǎng)，而將智能電源集成到LED模塊中則可以取得更大的進(jìn)步。其中一個(gè)研究領(lǐng)域是創(chuàng)造具有生長(zhǎng)指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型LED面板，而能夠局部調(diào)節(jié)光線(xiàn)（1/2m²面積）。這需要提供非常有效的分布式電源解決方案，能夠針對(duì)“蔬菜生長(zhǎng)”調(diào)整所有參數(shù)。這里，電子和光子有了新方向：“為我們及后代提供可持續(xù)的食物”。

盡管各會(huì)議上發(fā)表了大量的文章和論文，但室內(nèi)農(nóng)業(yè)仍處于起步階段；要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更多，對(duì)環(huán)境影響又更小，是發(fā)展“城市農(nóng)業(yè)”的重要因素。結(jié)合SSL、電源管理和軟件控制的環(huán)境等最新技術(shù)，將有助于改進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)民的生產(chǎn)力和工具，為2050年100億人口種植糧食。

這是所有電源研發(fā)工程師的好機(jī)遇！