LED照明智能控制解決方案

能量效率更高、功能更強的新型LED固態(tài)發(fā)光（SSL）產(chǎn)品的發(fā)展很快，被認為是照明市場(chǎng)上的主要革命性進(jìn)步。在許多垂直應用中，如信號燈、汽車(chē)、LCD TV背光，LED已經(jīng)毫無(wú)爭議地成為傳統光源的替代產(chǎn)品。但對于范圍更廣的通用照明，LED還沒(méi)有被廣泛接受。固態(tài)發(fā)光產(chǎn)品的成本和效率無(wú)疑將繼續快速改進(jìn)，力爭被市場(chǎng)接受。

通用照明中的固態(tài)發(fā)光產(chǎn)品

阻礙LED向通用照明轉移的原因一是傳統市場(chǎng)的容量太大，二是市場(chǎng)的慣性所致。要滿(mǎn)足后者的兼容性恐怕是最大的挑戰。熱管理、電壓轉換和色彩管理是需要解決的基本問(wèn)題。隨著(zhù)越來(lái)越多的業(yè)內人士開(kāi)始認識到這些問(wèn)題，需要采用智能的數字控制方法來(lái)經(jīng)濟有效地解決各種各樣的挑戰，然后才能享受新技術(shù)所帶來(lái)的好處。

LED照明節能明顯

如果在建筑物上采用LED照明，可以節約48%的照明用電。一盞白熾燈的發(fā)光效率一般是10～15lm/W，熒光燈的效率可達70～100lm/W，氙氣燈的效率為80～120lm/W，目前的商用LED的效率為80lm/W，有些實(shí)驗產(chǎn)品已經(jīng)達到了131lm/W，而LED的最大理論光效是200lm/W。

白色并不是色彩

LED的最大問(wèn)題是發(fā)光的頻帶很窄，這樣光的顏色很單一，可以達到高效率，并且不會(huì )發(fā)熱。如果光的顏色正是我們所要的當然最好了，但在一般的照明中，我們需要的都是白光。換句話(huà)說(shuō)，我們需要的是按照一定比例混合起來(lái)的多種顏色，來(lái)模仿經(jīng)過(guò)地球大氣過(guò)濾后的陽(yáng)光的頻譜。

可以通過(guò)在LED的藍色或紫外光源上涂上一層含磷材料，來(lái)獲得白光。所有的LED廠(chǎng)商都在對含磷材料的成份、厚度、位置進(jìn)行廣泛的研究。

LED廠(chǎng)商們接連不斷地公布新的研究成果，稱(chēng)新器件的效率比以往任何產(chǎn)品的效率都高。此外，光源的質(zhì)量也在不斷提高。我們眼睛所看到的光的質(zhì)量可以用相關(guān)色彩溫度（CCT）來(lái)衡量，這是與所感覺(jué)到的燈的顏色最匹配的黑體的溫度。

恰當地混合各種顏色

獲得白光LED的另一種方法是按照正確的比例將紅、綠、藍（RGB）三種顏色混合起來(lái)，不但能獲得白光，而且還能獲得所需的色溫。圖1是這種方法的應用電路，用1個(gè)8引腳的8位MCU來(lái)控制三色RGB LED。只需簡(jiǎn)單的算法，就可以對3個(gè)發(fā)光管的相對光強進(jìn)行控制，可以達到6位的分辨率（64個(gè)光強等級），對控制顏色輸出和相關(guān)顏色溫度來(lái)說(shuō)是足夠的了。

該電路采用了PIC12HV615閃存MCU、分壓電阻、復位電路、A/D轉換器，振蕩器提供8MHz的時(shí)鐘，構成了一個(gè)簡(jiǎn)單的單芯片解決方案。在生產(chǎn)時(shí)，還可以利用這種閃存器件的在電路可編程特性進(jìn)行顏色校準。

LED的壽命

圖1所示的電路適用于很多應用，但有一個(gè)很重要的缺點(diǎn)是效率低。這是一個(gè)線(xiàn)性解決方案，電能都消耗在鎮流器電阻上了。此外，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內還可能出現更多的問(wèn)題。

圖1 可進(jìn)行顏色校準的白光LED系統

LED的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是極長(cháng)的使用壽命，這也帶來(lái)一個(gè)嚴重的問(wèn)題，即偏色。LED可以使用50 000小時(shí)以上，其發(fā)光強度會(huì )從標稱(chēng)值逐步下降到70%左右（白熾燈在使用大約1 500小時(shí)以后會(huì )突然失效）。

遺憾的是，在這50 000小時(shí)內，一個(gè)白光LED的相關(guān)色彩溫度（CCT）將會(huì )發(fā)生變化，當熒光粉老化的時(shí)候，CCT會(huì )向更高的溫度漂移，即向藍色漂移。當三種顏色的發(fā)光體按照不同的曲線(xiàn)老化時(shí)，RGB的LED也會(huì )出現類(lèi)似的問(wèn)題。

通過(guò)使用微控制器，加上預測算法或閉環(huán)控制系統，將會(huì )開(kāi)發(fā)出幾種技術(shù)來(lái)補償由于器件老化所帶來(lái)的影響。有些生長(cháng)商已經(jīng)生產(chǎn)出了彩色光敏元件，再配合簡(jiǎn)單的PID算法就可以一次性地徹底解決色彩漂移問(wèn)題，當然采用這種元件會(huì )增加一些成本。

由于色彩漂移的過(guò)程非常緩慢，就不需要很高的計算性能，甚至低成本的8位MCU就能滿(mǎn)足要求。

LED并不是冷的

LED通用照明中的另一個(gè)很大的挑戰是熱量控制問(wèn)題。正如前文所述，高功率的LED在很窄的一個(gè)頻帶內向外產(chǎn)生電磁輻射時(shí)不會(huì )浪費能量，但仍然會(huì )產(chǎn)生熱量，熱量會(huì )通過(guò)傳導而不是輻射的方式散發(fā)出來(lái)，這一點(diǎn)類(lèi)似于白熾燈。

LED的發(fā)熱問(wèn)題給設計通用照明系統提出了很大的限制。為一個(gè)給定功率的白熾燈設計的照明系統很難適應同樣功率的LED，因為熱傳導的路徑是非常有限的。

功率轉換和控制

當整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)界都把關(guān)注的重點(diǎn)放在如何實(shí)現最大的LED發(fā)光效率時(shí)，驅動(dòng)/控制電路的效率問(wèn)題也必須受到同樣的重視。LED是低電壓器件（Vf為3～4V），工作電壓與市電完全不匹配，為實(shí)現最高的效率和保持持續的光輸出，LED需要精確的電流控制和開(kāi)關(guān)模式的功率轉換。

為解決這個(gè)問(wèn)題，必須采用一些恒流驅動(dòng)技術(shù)。不但需要隔離、功率因數校正，在有些情況下還需要進(jìn)行兩級處理。輸入電壓先被降低到一個(gè)中間電壓，并采用功率因數校正和高電壓隔離，第二級解決LED對電流和熱控制的需求。

圖2是采用了升壓轉換器（MCP1630）的恒流配置方案，由8位MCU提供靈活的時(shí)鐘信號，電流設定點(diǎn)可由編程設定，以適應不同的LED模塊、調光功能，并利用外置的傳感器提供閉環(huán)的溫度控制。

圖2 采用MCU和恒流驅動(dòng)器的智能LED解決方案。

圖2 采用MCU和恒流驅動(dòng)器的智能LED解決方案

基于MCU的解決方案具有極大的靈活性。當LED的溫度接近臨界門(mén)限時(shí)，向LED輸出的功率會(huì )逐步減小，而不是突然關(guān)閉系統或簡(jiǎn)單地發(fā)出警報。尤其是在LED是分別由不同公司設計，并且無(wú)法保證正確的熱設計的情況下，這種功能尤為關(guān)鍵。

智能的驅動(dòng)設計也意味著(zhù)MCU的內置串行外設可以支持簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，例如DMX-512或DALI。在進(jìn)行更高級的系統集成時(shí)，還會(huì )需要以太網(wǎng)或ZigBee連接，從而設計出全新的能源管理系統。