建筑照明應(yīng)用包括多種類型，如室外照明、一般室內(nèi)照明、裝飾照明和應(yīng)急照明等。您可能未曾考慮過在這些應(yīng)用中設(shè)計(jì)加入MCU，但在運(yùn)用固態(tài)照明(SSL)技術(shù)時(shí)就有諸多理由支持這樣做，而且每一應(yīng)用都具有獨(dú)特的智能要求。SSL技術(shù)通常需要用到一個(gè)電子驅(qū)動(dòng)器，而MCU正是實(shí)現(xiàn)此目的的理想選擇，因?yàn)獒槍?duì)這一應(yīng)用，MCU提供了成本、尺寸、存儲(chǔ)器、性能和外設(shè)的最佳組合。

計(jì)算技術(shù)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展。過去需要體積龐大且價(jià)值數(shù)百萬美元的高耗電設(shè)備才能完成的計(jì)算，現(xiàn)在只需小如指尖且耗電量僅為數(shù)毫瓦的器件即可實(shí)現(xiàn)，并且這些器件在很多情況下的成本不足一美元！實(shí)際上，這些技術(shù)上的進(jìn)步已使嵌入式單片機(jī)(MCU)技術(shù)幾乎深入到了我們生活中的所有領(lǐng)域，包括建筑照明應(yīng)用。

建筑照明應(yīng)用包括多種類型，如室外照明、一般室內(nèi)照明、裝飾照明和應(yīng)急照明等。您可能未曾考慮過在這些應(yīng)用中設(shè)計(jì)加入MCU，但在運(yùn)用固態(tài)照明(SSL)技術(shù)時(shí)就有諸多理由支持這樣做，而且每一應(yīng)用都具有獨(dú)特的智能要求。例如，應(yīng)急照明應(yīng)能進(jìn)行自我診斷并與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行通信；裝飾照明可能需要變色控制；室內(nèi)照明可能需要對(duì)占位傳感器做出響應(yīng)或與中央照明控制器進(jìn)行通信。SSL技術(shù)通常需要用到一個(gè)電子驅(qū)動(dòng)器，而MCU正是實(shí)現(xiàn)此目的的理想選擇，因?yàn)獒槍?duì)這一應(yīng)用，MCU提供了成本、尺寸、存儲(chǔ)器、性能和外設(shè)的最佳組合。

一個(gè)小型的MCU可為SSL應(yīng)用增添極大的靈活性和實(shí)用價(jià)值。特別是在以下幾個(gè)方面MCU將會(huì)有所幫助：調(diào)節(jié)光質(zhì)；延長LED的壽命和可靠性；提供通信、檢測和控制；提高能源的使用效率。

在設(shè)計(jì)中憑借MCU的智能特性，可輕松改變系統(tǒng)對(duì)不同事件的響應(yīng)方式?？赏ㄟ^簡單的代碼修改來更改產(chǎn)品的特性和功能。例如，可通過編程設(shè)置燈具的軟啟動(dòng)配置來實(shí)現(xiàn)任何期望的頻率。又如，可以以任何期望的方式來響應(yīng)過電壓、過電流或者過熱故障。您可能希望燈具嘗試5次重啟，5次后，燈具能夠關(guān)閉以避免損壞驅(qū)動(dòng)元器件。隨后，您可能又會(huì)決定燈具應(yīng)僅嘗試兩次重啟。那么，實(shí)現(xiàn)這一更改便不需要進(jìn)行任何的硬件改動(dòng)。

MCU可通過三種方式集成到SSL系統(tǒng)中。首先，可采用單獨(dú)MCU和驅(qū)動(dòng)器的解決方案；其次，可使用混合信號(hào)解決方案，混合信號(hào)解決方案是將MCU同實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器所需的模擬外設(shè)一起集成到同一封裝之中；最后，可以采用全數(shù)字解決方案，由軟件控制環(huán)(而非模擬控制環(huán))來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器。

上文中提到MCU可用于幫助調(diào)節(jié)光質(zhì)，您可能會(huì)對(duì)此感到好奇。MCU可從兩個(gè)方面提高LED的光質(zhì)：光通量維持和色彩調(diào)整。眾所周知，LED的光輸出將隨個(gè)體的不同及壽命和溫度的變化而變化。大多數(shù)LED供應(yīng)商都提供了器件的分選服務(wù)以幫助減少個(gè)體差異。然而，LED的光輸出仍將受到老化和溫度的影響而衰減。此外，如果工作溫度超過了一定的級(jí)別，則將會(huì)加速器件的老化過程。

為延長功率LED的壽命，必須保持管芯溫度低于制造商的規(guī)定值。和其他光源一樣，LED不以紅外線輻射方式輻射熱量。對(duì)于終端應(yīng)用而言，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是LED的管芯和封裝將會(huì)吸收必須傳導(dǎo)至燈具外的熱量。

如果將LED燈具和LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為一個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以在燈具結(jié)構(gòu)中布置散熱路徑。散熱保護(hù)措施可以采用附加散熱材料或者燈體外殼采用適當(dāng)通風(fēng)的形式。但是，LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)人員可能不知道驅(qū)動(dòng)器將會(huì)安裝到何種燈具上。實(shí)際上，可將驅(qū)動(dòng)器安裝在各種不同的燈具上以節(jié)約成本。在這種情況下，可在驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中建立主動(dòng)熱保護(hù)機(jī)制。

MCU可以靈活調(diào)節(jié)LED的光輸出和工作溫度。控制LED發(fā)光亮度有兩種方法可供選擇。首先，可通過改變LED的驅(qū)動(dòng)電流來獲取期望的發(fā)光亮度。其次，可采用脈寬調(diào)制(PWM)控制信號(hào)來調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器的輸出。產(chǎn)生的發(fā)光亮度將與PWM信號(hào)導(dǎo)通LED的平均時(shí)間成正比。PWM信號(hào)的頻率應(yīng)設(shè)定得足夠高，以至人眼不會(huì)感覺到任何程度的閃爍?？刂?/span>LED發(fā)光亮度應(yīng)首選PWM控制方法，因?yàn)檫@種方法能夠保證LED始終以最有效的工作電流進(jìn)行工作。

將MCU添加到SSL電路中并不一定會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度或成本。圖1中將一個(gè)6引腳MCU連接到LED驅(qū)動(dòng)器電路以提供調(diào)光和熱量控制，該MCU具有一個(gè)8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和4個(gè)I/O引腳。ADC讀取電位器值后生成一個(gè)PWM信號(hào)，用于控制LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光輸入引腳。此系統(tǒng)中還包含了一個(gè)溫度傳感器，用于監(jiān)視LED散熱片的溫度。如有需要的話，MCU軟件還可通過降低LED的光輸出強(qiáng)度來保護(hù)LED。

     
圖1：6引腳PIC10F222 MCU為開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器增加調(diào)光控制和熱保護(hù)功能。

您可能會(huì)注意到，在此應(yīng)用中采用一個(gè)I/O引腳來為電位器供電，這是一種將非常簡單和低廉的偏置電源電路與MCU結(jié)合使用的節(jié)能技術(shù)。當(dāng)對(duì)電壓進(jìn)行采樣時(shí)，其僅為電位器提供了一段短時(shí)電流。因此，MCU和電位器偏置消耗的平均電流將非常低。

圖1所示MCU電路可用于提供多種不同種類的檢測功能。對(duì)于日光采集應(yīng)用，您可能需要使用光傳感器來檢測環(huán)境中的光亮度。可將一個(gè)光電池或者光電二極管電路連接到MCU的ADC輸入并進(jìn)行測量，以實(shí)現(xiàn)此目的。還可添加一個(gè)無源紅外(PIR)檢測器來實(shí)現(xiàn)占位檢測。

PWM調(diào)光技術(shù)還可用于變色應(yīng)用。在色彩應(yīng)用中，3個(gè)PWM信號(hào)分別用于控制紅色、綠色和藍(lán)色LED驅(qū)動(dòng)電路。如果不需要高色彩的分辨率，則可以使用一個(gè)不帶PWM外設(shè)的最基本的MCU。這三個(gè)PWM信號(hào)具有相對(duì)較低的頻率并可使用軟件生成。

圖2所示的色彩控制應(yīng)用使用了一個(gè)帶有內(nèi)部穩(wěn)壓器和振蕩器的低成本8引腳MCU，此類系統(tǒng)可用于車內(nèi)照明或者裝飾照明應(yīng)用。此MCU通過讀取電位器上的電壓值來獲得用戶要求的色彩。然后，可設(shè)置三個(gè)軟件PWM信號(hào)的占空比，生成相應(yīng)的顏色。每個(gè)PWM信號(hào)均可提供64個(gè)占空比等級(jí)，從而能夠提供合適的色彩組合范圍。

  
圖2：8引腳PIC12HV615 MCU通過RGB LED提供簡單的色彩控制。

對(duì)于需要更精確色彩控制的應(yīng)用，可以采用帶硬件PWM外設(shè)的MCU，以提供對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色通道的高分辨率調(diào)光控制。圖3所示的系統(tǒng)在每個(gè)色彩通道上提供了16,384個(gè)調(diào)整等級(jí)。可通過添加一個(gè)光學(xué)色彩傳感器來提供閉環(huán)色彩控制。色彩傳感器可使色彩在大范圍調(diào)光級(jí)別下保持不變，并可用于糾正LED的老化特性。

  
圖3：PIC18F1330 MCU與TCS230色彩傳感器配合使用以提供對(duì)RGB光源的精確色彩控制。

許多數(shù)字通信協(xié)議都可用于照明應(yīng)用之中，其中一個(gè)協(xié)議是DMX-512。DMX-512協(xié)議旨在用于舞臺(tái)燈光控制的應(yīng)用，但由于其具有簡單和低成本的特性，在建筑照明應(yīng)用中也得到了普及。該協(xié)議支持單向、高速控制多達(dá)512個(gè)照明通道。實(shí)現(xiàn)DMX-512協(xié)議需要一個(gè)帶UART外設(shè)的MCU。UART配置為250kbps通信。RS-485收發(fā)器用于在物理上連接節(jié)點(diǎn)，支持使用雙絞線進(jìn)行長距離連接。

大型樓宇可以使用數(shù)字可尋址照明接口(DALI)，它提供了一種聯(lián)網(wǎng)照明燈具組的方法。DALI使用了1200bps曼切斯特編碼的串行數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流幾乎可在任何MCU上輕松實(shí)現(xiàn)。樓宇管理系統(tǒng)中通常使用的其他協(xié)議包括以太網(wǎng)和RS-485。IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(例如ZigBee和MiWi無線協(xié)議)具有廣闊的照明控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景。這些無線通信協(xié)議旨在運(yùn)行于具有有限存儲(chǔ)器資源的小型MCU上。

最好使用具有恒流源驅(qū)動(dòng)的功率LED，并且大部分功率LED應(yīng)用都需要一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可以采用線性或開關(guān)模式的解決方案實(shí)現(xiàn)，具體取決于其功率等級(jí)。若考慮到能源效率，該驅(qū)動(dòng)器幾乎只能采用開關(guān)模式。

用于電壓源的開關(guān)模式拓?fù)湟部捎糜诤懔?/span>LED驅(qū)動(dòng)器。以指定驅(qū)動(dòng)電流工作時(shí)，功率LED的陽極和陰極之間存在正向壓降(VF)。LED的VF、隔離要求及可用電源電壓將決定應(yīng)采用何種開關(guān)模式的拓?fù)洹?/span>

如上文所述，MCU可用于提供電源功能的全數(shù)字控制。就LED驅(qū)動(dòng)器來說，可使用MCU的片上ADC對(duì)LED電流進(jìn)行測量。接著將對(duì)信號(hào)誤差進(jìn)行計(jì)算，該誤差為電源的輸出電流期望值和測量值之間的差值。然后，由軟件計(jì)算控制環(huán)路，并且計(jì)算結(jié)果將被用于設(shè)置控制電源輸出的PWM占空比。比例積分(PI)控制算法常被用于實(shí)現(xiàn)此目的，并且允許用戶通過調(diào)整控制程序系數(shù)來獲得期望的閉環(huán)響應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)典型LED電源的全數(shù)字控制并不需要很強(qiáng)的MCU處理能力。這意味著，一個(gè)低成本、低功耗的MCU即可完成此工作。某些電源需對(duì)負(fù)載或輸入電壓變化做出非?？斓捻憫?yīng)，在這些情況下，需要具有快速的ADC采樣率和快速的PID環(huán)路計(jì)算，這就需要采用更加昂貴的MCU或者數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)。然而，LED對(duì)電源而言將表現(xiàn)為一個(gè)相對(duì)恒定的負(fù)載，因此通常不需要具有快速控制響應(yīng)。

圖4所示為一個(gè)恒流LED驅(qū)動(dòng)器。此MCU具有一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器和振蕩器，因此不需要增加外部元器件。MCU還具有一個(gè)PWM模塊，該模塊用于以125kHz驅(qū)動(dòng)降壓電路。在MOSFET導(dǎo)通時(shí)將測量LED電流，且運(yùn)放電路在ADC采樣信號(hào)之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。

 
圖4：PIC12HV615 MCU和MCP601運(yùn)放用于實(shí)現(xiàn)降壓LED恒流驅(qū)動(dòng)器。在軟件中使用PI控制程序執(zhí)行LED電流調(diào)整。

系統(tǒng)將以1kHz速率對(duì)電流進(jìn)行采樣并執(zhí)行PI控制程序。電流控制程序計(jì)算過程將使用大約45%的可用CPU處理時(shí)間，為其他功能留下了充裕的處理時(shí)間。如果被測電流在指定范圍以內(nèi)，則不執(zhí)行PI控制程序。這將為其他任務(wù)提供更多的CPU處理時(shí)間。當(dāng)LED電流穩(wěn)定到目標(biāo)值時(shí)，占用的CPU處理時(shí)間將小于5%。

實(shí)現(xiàn)PI控制程序相對(duì)較簡單，僅需編寫幾行C代碼即可實(shí)現(xiàn)。該PI控制程序以兩種方式對(duì)電流誤差信號(hào)做出響應(yīng)。首先，將誤差信號(hào)與增益值相乘生成比例響應(yīng)。如果誤差較大，控制程序?qū)⒁暂^大變化來增加或者減小電源輸出。如果誤差較小，控制程序?qū)a(chǎn)生較小的輸出變化。

僅具有比例響應(yīng)的控制程序無法將誤差完全減小到零。也就是說，LED的驅(qū)動(dòng)電流將永遠(yuǎn)達(dá)不到目標(biāo)值。每次對(duì)輸出進(jìn)行測量后，控制程序的積分部分都將計(jì)算得到的誤差數(shù)據(jù)累加到當(dāng)前的累加和之中。然后將之前的所有誤差之和乘以增益值，添加到控制程序的比例輸出。積分項(xiàng)提供了一種糾正小穩(wěn)態(tài)電源輸出誤差的方法，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，小誤差值的累加將產(chǎn)生較大的輸出誤差。

相同的PI控制程序可用于驅(qū)動(dòng)多種LED負(fù)載和電源轉(zhuǎn)換級(jí)。對(duì)于每種不同的應(yīng)用，都可通過調(diào)整控制程序的軟件增益值來提供最佳的系統(tǒng)性能。其他的軟件值可用于指定特定驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的工作條件。

圖4所示的電路具有一些額外的I/O引腳，這些引腳可用于反饋其他信息，例如LED電壓或者溫度。

本文介紹了MCU為SSL增添實(shí)用價(jià)值和靈活性的幾種方法。許多建筑照明應(yīng)用都可受益于MCU帶來的智能，包括一般室內(nèi)照明、應(yīng)急照明和裝飾加強(qiáng)照明。MCU在應(yīng)用中可以提供各種功能，包括用戶界面功能、系統(tǒng)保護(hù)和對(duì)LED缺陷的補(bǔ)償。MCU甚至可以通過調(diào)整LED的驅(qū)動(dòng)電流來直接控制功率級(jí)。

作者：Steve Bowling

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