增加LED的智能以改善發(fā)光質量、效率與成本討論

隨著照明業(yè)轉向LED技術，也增加了對更智能控制器與驅動器的需求。LED的高效運行可以有效抑制家庭與單位上漲的電費支出。很多應用需要提供恒定不變的照明質量，同時支持先進的控制功能，如調光、色溫均衡，以及精確混色等。應用的自診斷可以減少對技術人員的需求，從而降低維護費用，遠程連接也成為這些應用的一種常規(guī)要求。 　　LED照明應用中加入智能可能需要從固定功能的LED驅動器轉向基于微控制器或可編程架構。專用的功率電子微控制器還能夠在照明控制與通信以外控制照明電源，從而使照明應用擁有更高效率和更具性價比。向數字控制的轉化提升了靈活性，可以使照明產品達到新的智能與差異化水平。 　　獲得智能平臺 　　照明行業(yè)正在快速地利用LED技術的很多優(yōu)點(見附文“LED的優(yōu)點”)。不過，LED應用對于所需要支持的能力有著很大的差異。 　　家居應用包括燈泡替換、重點照明，以及小型室外照明。通常情況下，只需要點亮少數LED，一般是一串至兩串。鑒于這個市場存在著低成本壓力，一般不常用到先進的控制功能。 　　商務應用包括熒光鎮(zhèn)流器、燈泡替換，以及重點照明。只需要點亮少數LED，一般是一串至兩串。雖然關注成本，但這個市場也注重節(jié)能。較高端應用需要遠程連接能力，以及某些控制器智能。 　　娛樂應用包括高端顯示屏和情境照明。對光強度的完全控制以及始終如一的彩色質量是基本需求，另外還要有遠程連接，以及支持業(yè)界標準協(xié)議，如DALI(可數字尋址照明接口)和DMX512。 　　室外與基礎設施應用包括街道照明以及工廠和大型辦公樓的照明。通常需要大量LED，必須支持很多燈串；高亮度LED也很常用。這些應用需要遠程連接能力，以及高水平的控制器智能。 　　基于LED的最簡單照明系統(tǒng)是使用一個LED驅動器，通常是一個固定功能的設備，它提供一種簡單直接的低成本控制方法。一般來說，它們有不錯的功率效率，不需要軟件編程。開發(fā)人員頂多是在選擇驅動器或決定電路板上元件的具體數值時要做一些計算。 　　雖然使用簡單明確，但很多LED驅動器缺乏更先進系統(tǒng)的充分靈活性。要在某個給定應用中支持多種LED類型或LED串結構，就可能需要不同的方案。事實上，系統(tǒng)中的任何修改都可能需要改動驅動器，如一串中LED數量變化，或一個裝置中LED串數的變化等。因此，一家OEM提供的多數照明產品都可能需要專門的模擬驅動器。如果產品數量眾多，這種要求會增加OEM或供應商的庫存品種種類，可能降低規(guī)模經濟性，或導致更高的設備成本。 　　另一方面，智能控制器則使開發(fā)者能夠創(chuàng)造出更靈活的照明系統(tǒng)。在采用微控制器的系統(tǒng)中，可以通過配置代碼來支持各種不同類型的LED、專有的功率級需求、不同的串長度，以及不同的串數，而無需對硬件做大的改動。系統(tǒng)可以設計成能自動檢測需要驅動的LED數量。微控制器系統(tǒng)的可編程特性甚至能夠實現高級的調光和定時功能，用于更高級的照明場景控制與自動照度水平。 　　數字控制的靈活性使OEM只要設計一種控制器，就可以驅動各種最終產品。重新使用控制IP還可以大大降低設計投入。一只靈活的控制器可減少需要庫存的器件數量，通過規(guī)模經濟性而降低總的系統(tǒng)成本。 　　用數字控制的集成 　　一個智能LED照明系統(tǒng)的基本架構包括三個主要部分：功率轉換、LED控制和通信(圖1)。 　　功率轉換級為LED提供正確的電壓與電流。開始是AC/DC整流，然后是一個PFC(功率因數校正)級，再后面是一個或多個并聯的DC/DC轉換級。高能效的功率轉換要求對這些級進行精確和靈活的控制。 　　主級的每個部分都需要一個智能控制器，以維持其效率及功能。固定功能的模擬方案可能需要獨立的PFC、DC/DC、LED和通信控制器。而專用的功率電子微控制器可以實現高度的集成，減少了電源的元件數量。事實上，單只微控制器有足夠的性能、功率優(yōu)化外設及通信端口，可以提供一個中心化的可編程平臺，從而協(xié)調地控制一個智能照明系統(tǒng)的所有三個級，處理有關電源、LED照明控制與通信的任務。 　　數字功率控制也有可能使動態(tài)系統(tǒng)實現更高的轉換效率。雖然LED較傳統(tǒng)光源效率有明顯的提升，從而相應地降低了使用與電費成本，但并非所有LED系統(tǒng)都是相同的。數字電源控制可以在LED照明系統(tǒng)做調光、改變顏色輸出，或調整光強輸出時，讓功率級獲得更高效率。同樣，在固定照明條件下，微控制器可以通過更先進的功率級設計，增加運行效率。這種效率增長對最終用戶很有吸引力，可以成為兩種LED系統(tǒng)相互比拼時的一個關鍵差異點。 　　假設一個城市打算更換2000盞街燈，正在評估兩種模型，相互之間效率有10%的差值(圖2)。對高效率系統(tǒng)來說，進入系統(tǒng)的輸入功率為178W，而低效率系統(tǒng)需要200W才能獲得相同效果的160W光輸出。這樣單是電源本身的功率，轉換成每年能源成本，大約能多節(jié)省10%，本例中就是33,726美元。節(jié)省余額超過采用LED系統(tǒng)的節(jié)省。 　　智能的好處 　　對于很多應用來說(包括商業(yè)顯示屏與娛樂照明)，發(fā)光的質量很重要。此時，質量是指輸出穩(wěn)定光強與顏色的能力。影響LED性能有三大主要因素：制造差異、溫度和老化。 　　不同批次的LED輸出可能有很大變化；采用同一產品線但不同批次LED的器件，可能發(fā)光質量也不同，就是因為存在制造差異。在單臺設備上使用相同批次的LED，就可以保持質量的一致性，如果不能做到這點，不同批次LED做的設備相鄰安裝時，其發(fā)光質量就能產生可察覺(以及不可接受)的差異。有了智能控制器，系統(tǒng)可以對任何差異做校準補償。由于這一工作是軟件完成，因此，如果需要產品的一致性，可以在設備制造期間完成校準工藝。 　　隨著環(huán)境溫度的變化，LED的輸出也會改變。為補償這個效應，系統(tǒng)需要用一只傳感器檢測環(huán)境的溫度。微控制器讀出傳感器數據，相應地調節(jié)LED驅動，動態(tài)地校準顏色和光強度。由于溫度只需要定期檢查，所以這個工作的負荷不高。這也能讓系統(tǒng)監(jiān)控自己本身的安全狀況。例如當LED溫度超過了一個規(guī)定閾值時，照明控制器可以降低光強，或關掉某個LED串，并遠程通知工作人員。極端溫度會使LED過早老化，使其光輸出降級。確保LED不超過某個溫度，可以延長其使用壽命。 　　LED的老化會影響發(fā)光質量，造成顏色的變化。例如，紅色LED要比藍色LED老化得更快，某個確定功率輸出或PWM頻率產生的顏色會隨時間而漂移。智能控制器可以考慮到老化情況，校正顏色曲線，從而在LED系統(tǒng)的整個生命周期內維持一致的發(fā)光。 　　用于質量管控的同種技術還可以提高安全性和效率,可以調節(jié)發(fā)光強度以配合當前的環(huán)境光，例如在暴風雨的天氣，街燈可能提前開啟，或當有充足的環(huán)境光時，可以調低亮度以節(jié)省能耗。交通燈或特殊街燈上的傳感器可以監(jiān)控深夜的交通狀況，如果車流變多，可以提高街面照明亮度。 　　在倉庫里，工人可能會零散地使用不同的空間。通過室內感應傳感器，能夠只對正在使用的部分照明。如果在任何時間，只用到車間的50%面積，則其余的燈可以關閉，節(jié)省一半能耗。 　　同樣考慮圖2中的街燈例子。在深夜里，很多街燈可以比全亮時調暗，因為交通流量下降。如果運動傳感器之間有通信網絡，街燈就可以動態(tài)地開關，以適應車流的需求。為獲得更高效率，圖2中顯示的178W輸入系統(tǒng)可關閉25%的燈，相應節(jié)省25%的能耗，相當于每年68,218美元，以下面幾個式子計算：1,819,160kWhr/年×75%/夜晚工作時間=1,364,370kWhr/年1,364,370kWhr/年×0.15美元/kWhr=204,656美元每年費用272,874美元初始的年費用減去204,656美元修正后年費用=68,218美元每年節(jié)約將電源效率的節(jié)省數與智能工作的節(jié)省數相加，每年可節(jié)約101,944美元，約占系統(tǒng)的大約33%。 　　遠程連接 　　遠程連接是智能照明系統(tǒng)的一個關鍵性能。智能設備可以自動管理自己的運行，提升效率與質量。但除非設備可以與中心控制器通信，否則這種智能必須預先編寫好，并且只有單臺設備可以獲得最高效率。 　　通過將照明系統(tǒng)中的各個部件連網，開發(fā)人員可以協(xié)調整體裝置中各設備的運行。這樣做能實現一種全新的功能，包括遠程調光、遠程關機與緊急控制。操作者可以從一個中心控制位置調節(jié)整個光組的照明強度，而不需要單獨調節(jié)每盞燈。 　　為獲得最多功能，每個部件都必須既能接收信息，也能將信息發(fā)回給操作者。這樣，街燈可以做簡單的自我診斷，以判斷是LED燒壞，還是性能低于了一個最小品質閾值，然后告知操作員做必要的維護。這樣，就不需要讓技工去做定期維護來確保設備正常工作，操作人員可以遠程做出檢查，只有當問題嚴重到一定程度時，才派技工去。這種遠程監(jiān)控與LED的長工作壽命相結合，可以大大節(jié)省維護成本，增加運行的安全性，因為可以立即判斷出故障。 　　遠程控制還能實現其它先進功能，這些功能對工作效率和成本有明顯的影響，能夠動態(tài)地控制燈光，以及將多處照明點連網到某處的一個控制點，這個控制點也許與實際燈光位置距離遙遠。例如，街燈可能需要按照夏令時做出調整，此時不需要派技工去每個控制箱，照明系統(tǒng)操作人員可以在系統(tǒng)中修改所有燈光的時間表。操作人員還可以輕易地在時間表中實現臨時改變，例如在晚場結束的運動會后提供道路燈光照明，或者在繁忙季節(jié)中保持工廠照明等。遠程控制還能在緊急狀況下直接控制燈光，從而提高安全性。 　　商用與工業(yè)中的智能照明還有一個更有益的功能，這就是精確地跟蹤功耗情況。例如，過去街燈的支付費率是固定不變的，而有了智能燈光控制器，市政操作人員就可以跟蹤實際功耗，將數據發(fā)至一個中心控制點，確保該市支付的電費不超過實際金額。 　　對實際使用情況的數據記錄能讓操作人員精確地調節(jié)自己的運行成本規(guī)劃、維護資源以及未來投入。它還能夠實現更先進的前瞻性診斷。動態(tài)高能耗或需要大量更換燈泡，這些問題如果能提早告知操作人員，就可以在它們推高運行與維護成本以前，盡快加以處理。 　　連接能力也是很多照明系統(tǒng)的基礎，尤其是娛樂應用。這個市場中已有了很多通信標準，包括DALI、DMX512和KNX，而支持這些協(xié)議的設備就擁有了一種競爭優(yōu)勢。 　　電力線通信 　　PLC(電力線通信)即讓網絡設備運行在為設備供電的相同電源線上，而無需裝設獨立電纜作為通信鏈路，這是照明應用的一種重要技術。對于不需要全套PLC功能集的應用，PLC-Lite是一種靈活的替代方法，它以較低的數據速率提供了簡捷性，并降低了協(xié)議開銷。開發(fā)人員能夠以低得多的每鏈路成本實現PLC-Lite，小于PLC的一些更復雜變型，如G3或PRIME(電力線智能讀表演化)。 　　由于PLC-Lite不是一個固定的標準，開發(fā)人員可以利用它的靈活性優(yōu)化某個通道特性的實現，以提高那些需要處理電力線干擾環(huán)境下的鏈路強健性。PLC-Lite非常適用于需要低成本但有強健通信通道的應用，如家庭網絡中的單只燈泡或墻上開關。 　　開發(fā)人員還可以采用射頻技術，以無線方式連接各個設備。通過模塊化結構，設備可以采用任何最適合客戶需求的連接。無論鏈接是采用PLC或Wi-Fi，數據都通過一個標準I2C或SPI端口傳送給微控制器。 　　集成化優(yōu)勢 　　為降低系統(tǒng)成本，開發(fā)人員需要一種有足夠處理能力的微控制器，用一只微控制器就能實現功率級、LED控制、傳感器輸入以及遠程連接能力。通常情況下，一個集成了所有系統(tǒng)控制器的單芯片設計要比需要多MCU的方案價格更低。 　　不過，有些照明系統(tǒng)中存在著高電壓和低電壓，通常需要在PFC和DC/DC之間有一種隔離邊界(圖3)。這種情況下，采用兩只微控制器可能更容易些，兩只微控制器通過I2C或SPI接口實現跨隔離邊界的通信。如果設計是非隔離的，則用同一只微控制器實現PFC和DC/DC轉換功能就相對簡單些。 　　當為LED設計使用單個微控制器時，最好是有一種適合于廣泛應用的高性能架構，這樣針對數字功率控制的設計就能支持各種電源結構。微控制器最好集成有以下功能： 　　(1)高精度PWM生成以及占空比控制，以及高精度的死區(qū)，以實現對功率級的更高效、更高性能控制。先進PWM提供了生成非常精準彩色輸出以及調光級的能力。例如，通過16路PWM輸出，微控制器可以獨立地控制多達16個單獨LED串。 　　(2)提供高達4.6M采樣/s采樣與轉換速度的模數轉換器。A/D模塊與PWM相結合，使工程師能夠創(chuàng)造出一個嚴密的反饋回路，對不斷變化的系統(tǒng)與周圍工作條件做出快速反應。 　　(3)內置故障保護機制，處理過流和過壓情況。PWM故障跳閘區(qū)使系統(tǒng)能夠在意外系統(tǒng)狀況下，繞開CPU并用一個預先設定的狀態(tài)替代PWM信號，從而防止系統(tǒng)損壞。 　　(4)I2C、SPI、UART、USB與CAN外設具有已生產就緒的固件驅動，滿足大多數LED應用的連接需求。 　　德州儀器公司的C2000Piccolo平臺是用于LED照明設計的集成微控制器的例子(圖4)。32位TMS320C28x核心提供了微控制器器件中的數字信號處理能力，具有經優(yōu)化的算術運算、用于實時控制的中斷驅動架構，以及能響應變化事件的可編程靈活性。TI的集成CLA(控制規(guī)齒加速器)是一個獨立核心，在無需增加成本或第二只MCU開銷的前提下，實現了雙核運行。CLA能夠獨立于C28xDSP運行，其設計可完成高效的并行處理。 　　Piccolo微控制器將一個照明系統(tǒng)的功能劃分為C28x核心和CLA核心，用一只芯片實現了完整的智能LED控制器。例如，CLA可以用于運行PLC算法，而同時C28x核心則專注于數字功率轉換以及LED串控制。對于需要更先進或更高帶寬PLC的應用，還有一個供Piccolo F2806x微控制器使用的集成式Viterbi復雜算術單元(VCU)。該VCU專門針對PLC算法做了調整，與沒有VCU情況相比，可以使PLC處理速度提高6倍。 　　很多公司都提供開發(fā)軟硬件，幫助工程師們評估和設計出各種LED照明應用，從小電壓的輔助供電系統(tǒng)，直到有遠程連接功能的高電壓全交流供電系統(tǒng)。TMDSIACLEDCOMKITacLED照明與通信開發(fā)人員套件就提供了一個完整的平臺，可加快交流供電的智能照明產品設計，使其具有高的工作效率(約90%)，并完全支持遠程連接以及照明通信協(xié)議。