详解在LED灯具中加入智能控制

LED照明的出现改变了照明的使用方式，在LED灯具中加入智能控制及调色功能为设计人员开创了新的机会。LED效率高、具调光能力、寿命长等优势，能让可变色灯具的效率更高、更具成本效益并且更加容易取得。数码信号控制器(DSC)可驱动各种创新应用，能实现更高效率的LED驱动、更精确的色彩控制并与外部有著更良好的沟通。以上优势汇集使得设计人员拥有更大的自由开发高度差异化的LED照明灯具。 　　低功率指示器LED为许多产品的基本，大多数工程师都很熟悉其简单的设计。只要一个电压源以及具有正确数值的串联电阻，便能将LED电流保持在小于5毫安的水平。透过连接至微控制器的通用型输入输出(GPIO)接脚，可让LED闪烁;然而，要将超过350毫安的顺向电流串接在一起形成高亮度、高电流LED，其设计会变得相当复杂。设计人员在温度变化及LED本身的高温问题外，还需面临电流控制的挑战。 　　电流控制 　　高亮度LED需维持在一个相对高的定电流来保持一定的亮度和颜色。LED的光通量与流经LED的顺向电流成正比，要达到一致的颜色和光线输出，关键是恒定的顺向电流。顺向电流会跟著电压源产生改变，造成LED发射出的光线变动。因此，需使用能主动调节顺向电流的电源供应器来驱动。 　　温度控 　　一般而言，LED的顺向电压会随著温度上升而增加，即使顺向电流是不变且经过调整的。高功率LED会产生热能，导致LED寿命缩减并提早发生故障。控制LED的顺向电流能让个别设计根据目标顺向电流及预估顺向电压来决定散热水平。使用温度感应器提供了一个监控温度状况的方法。 　　色彩控制 　　LED几乎可以瞬间改变输出光线，适用于需迅速改变颜色的灯具。只要简单调整每一个LED的亮度，就可以红色、绿色和蓝色的LED灯串创造出任何颜色。提高或降低每一个LED的顺向电流为其中一种方法，但顺向电压的改变不仅会改变亮度，也会稍微改变LED的颜色。在需要精确颜色的应用上将会造成问题。 　　另一种方法是采用脉冲电流(pulsedcurrent)，此方法能提供相同的调光效果，却不会让颜色出现可察觉的变化。图一中红色虚线代表平均脉冲电流可创造出的亮度变化，同时保持LED顺向电压的一致性。在颜色上不会产生可察觉的变化。 　　数码调光控制 　　使用脉冲电流技术来进行调光，数码信号控制器可大幅简化其设计。数码信号控制器上的先进脉冲宽度调变(PWM)模块，可用来产生PWM信号，用来控制LED的功率级。PWM模块具有重置输入，可以透过快速并精确地关闭PWM输出来控制电流，实现LED调光。调光的数量介于全灭(0)及全亮(255)数值之间的量化数字。将LED亮度设定为50%，计数器会从0数到255，并在128(50%)时关闭PWM的输出，这时将无任何电流通过LED;当计数器到达最大值255时会归0，同时PWM会重新启动。不断重复此过程便能产生LED调光所需的脉冲电流。一般会使用400Hz以上的频率来确保人眼无法看见LED的闪烁。 　　数码LED驱动 　　除了调光控制外，数码信号控制器也能主动提供电源来控制流向高亮度LED的顺向电流。降压和升压开关模式电源供应技术(SwitchModePowerSupply;SMPS)能被用来为LED供电。 　　若LED或LED灯串的顺向电压小于电源电压，便可使用降压技术。如图二所示，在此技术中，PWM会控制开关(Q)，以及当开关(Q)关闭时对应于LED顺向电流的感测电阻(Rsns)电压。数码信号控制器的比较器被用来比较流经电阻(Rsns)的电压及可配置的内部参考电压，此参考电压与LED所需的顺向电流成正比。感测电压大于内部参考电压时，类比比较器会阻止PWM打开开关(Q)，电感(L)会将储存电流放电至二极管(D)及LED。在下一个PWM周期开始时，开关(Q)会关闭;然后不断重复此过程。数码信号控制器可主动调整流至LED的顺向电流，无需动用任何CPU的资源。 　　反之，若LED或LED灯串的顺向电压大于电源电压则可使用顺向电压。PWM会控制开关(Q)，流经感测电阻(Rsns)的顺向电流会被监测。数码信号控制模块上的类比数码转换(ADC)模块会取样流经感测电阻的电压，对应至LED的顺向电流。此数值会被比例积分(ProportionalIntegral;PI)控制回路所采用，由数码信号控制器的软件执行，根据ADC读数及对应于所需电流的软件参考值来调整开关(Q)的工作周期。藉由在软件中实现PI控制回路，数码信号控制器能提供采用多种控制回路方式的弹性。尽可能减少PI控制回路所使用的CPU资源，数码信号控制器可控制多个LED灯串，还能支持额外功能。 　　数码通讯 　　数码信号控制器能以智能的方式控制LED灯具，还能执行通讯协定，无需使用独立通讯控制装置。例如，DMX512照明控制协定使用标准的单向通讯，透过一个主装置及多个从属装置，以512位元的封包数据速率和分别定址至每一个装置或节点，将指令传送至个别灯具。高速处理让数码信号处理器(DSP)能够快速执行控制回路，可针对升压转换器优先采用控制器，还能运行DMX512等通讯协定。由于此通讯是在软件中执行，不限于单一协定，能采用各种通讯方式来控制灯具。 　　缩短学习曲线 　　对设计人员来说，数码LED控制的学习曲线是陡峭的，藉由使用数码控制LED照明工具套件、参考设计及应用需知，事情将变得容易些。包括免费的程序原始码、硬件文件以及可互换的功率级，以支持不同的功率拓墣。Microchip的DM330014LED照明开发套件便提供多张LED驱动器子卡，让设计人员在同一块板子上实验多种驱动级。 　　LED的高效率及立即调光能力，能持续驱动混色及其它照明应用的进展。加入数码信号控制器所提供的智能控制及通讯功能，设计人员将能为LED照明灯具添加先进的功能与特色，呈现出照明应用的差异性。