解析如何構建自我監測的智能化LED燈具

發(fā)光二極管一直以來(lái)都被當作低成本的指示燈用在各種電子產(chǎn)品上。目前，它們已經(jīng)成為強大的光源，可用于室內照明、標識牌、顯示屏和裝飾照明應用。與白熾燈和熒光燈相比，由于產(chǎn)生相同亮度所消耗的能量要小得多，led的地位正在日益攀升。能源是本世紀最為熱門(mén)的話(huà)題之一，而且會(huì )很快成為世界各地設計人員需要考慮的最重要問(wèn)題之一。

對燈具制造商而言，使用LED具有諸多優(yōu)勢。不過(guò)，試圖盡早趕上LED浪潮的廠(chǎng)商數量也不少，因此產(chǎn)品的差異化非常重要。另外，當能耗和人力成本成為設計需要考慮的主要問(wèn)題時(shí)，大型照明設備也幾乎需要“智能化”。讓燈具具備與“母”控制器通信、監測自身狀況、根據監測結果調整工作模式、在失效后能夠進(jìn)入安全狀態(tài)的能力等都是對新一代LED燈具的期望。本文將探討部分適合于LED燈具的“智能化”選擇及其實(shí)現步驟。

輸入低電壓閉鎖：

LED驅動(dòng)系統的輸入電壓一般是直流電壓。電源由離線(xiàn)的AC-DC轉換器或者總線(xiàn)提供。除了為L(cháng)ED驅動(dòng)器供電，電源還用于為系統中的控制器供電（需先轉換為適合控制器使用的5V或者3.3V電壓）?？刂破麟娫匆话阍O計為當輸入電壓略高于要求的輸出電壓時(shí)，就開(kāi)始工作。比如，5V的調節器會(huì )在輸入電壓達到6-7V時(shí)就開(kāi)始工作。不過(guò)，這個(gè)電源的穩態(tài)可以是為由5-6個(gè)LED構成的LED串、每串電流為1A供電的24V電源。一旦控制器加電，控制器就會(huì )假定電源可用并開(kāi)啟LED驅動(dòng)系統（假設其配置如此），隨后LED驅動(dòng)系統將試圖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。如果此時(shí)輸入的電壓只有10V，要求電源提供的電流將遠遠大于穩態(tài)下的電流，系統將由于這種瞬發(fā)的電流突增而崩潰。這種超額電流需求也會(huì )超出線(xiàn)纜、連接器和輸入電源其他組件的額定承受能力，可能導致系統永久損壞。

為了避免發(fā)生這種情況，系統應具有“低壓閉鎖”功能。采用的硬件是電阻分壓器，可以逐步把輸入電壓降低到控制器的輸入可以承受的范圍。輸入在內部與比較器相連?？刂破鳎ü碳┑膭?dòng)作應該設計為只有輸入電壓超過(guò)正常工作的閾值時(shí)，電源部分才會(huì )啟用。另外，并非比較器一開(kāi)啟，電壓系統就馬上啟動(dòng)。固件應對比較器的輸出進(jìn)行輪詢(xún)，檢查這種狀態(tài)是否一致（因為比較器是組合邏輯電路的組成部分），然后再啟動(dòng)電源系統。圖2是實(shí)現該功能的硬件原理圖（簡(jiǎn)圖）。

負載（LED）監測：

這里的負載具有經(jīng)過(guò)LED且受調整的恒定電流。雖然電流調整系統已經(jīng)在監測負載，這里的目的是確保有合適的負載電流流過(guò)。LED易于損壞，特別是在開(kāi)路或者短路發(fā)生的時(shí)候。導致這些類(lèi)型故障的原因包括線(xiàn)纜松動(dòng)、連接器松動(dòng)、PCB組裝問(wèn)題，等等。通道出現短路會(huì )導致MOSFET損壞（起開(kāi)關(guān)作用）。鑒于這些系統的功率，在出現故障的情況下，會(huì )導致大電流的出現，并釋放大量熱量。為了保護系統及其周邊免受故障的不良影響，控制器應具備實(shí)時(shí)監控負載狀況的能力。

我們不妨考慮開(kāi)路情況，其中供電流流經(jīng)的路徑不存在。如果讓電流調整系統自行處理，它會(huì )讓開(kāi)關(guān)（MOSFET）一直開(kāi)著(zhù)，以試圖讓電流流往指定的地方。但這樣不會(huì )解決問(wèn)題。類(lèi)似的，在出現電流不受控制地突增的短路情況下。反饋系統會(huì )試圖關(guān)閉開(kāi)關(guān)，但如果MOSFET已經(jīng)損壞，它不會(huì )對這些控制信號做出響應，問(wèn)題同樣無(wú)法解決。

智能化的LED燈具應該能夠檢測這些狀況，并將系統置于可以安全避免故障導致不良后果的狀況。實(shí)現這種目標的其中一種方法是強制熔斷保險絲，從而切斷整個(gè)系統的電源。另一種方式是向“母”控制器發(fā)出某種信號，或者停止向“母”控制器發(fā)出某種信號，以指示故障狀況。為此，系統必須能夠首先監測負載電流或者電壓值。為測量電流，在LED線(xiàn)路中引入了一個(gè)電流感應電阻，并將其兩端的電壓（在放大后）輸入ADC。ADC的數字輸出受處理器監控，并根據測得的電流值采取相應的行動(dòng)。例如，如果通過(guò)LED的電流為500mA，但ADC只測得10mA，就可以視為出現故障?？刂破麟S即向“母”控制器發(fā)出信號，啟動(dòng)“熔斷保險絲”電路，強行熔斷保險絲。

在諸如升壓電路這樣的電路中，存在著(zhù)一個(gè)大容量電容器，故持續監控負載的電壓非常重要。在升壓系統正常工作的條件下，大容量電容器在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的周期內充電，在開(kāi)關(guān)閉合的周期內放電。如果負載出現開(kāi)路，電容不會(huì )放電但充電仍在繼續。如果置之不理，電容兩端的電壓會(huì )迅速升至很高，可能導致MOSFET這樣的零件損壞。如果在連接松弛的情況下突然閉合電路，過(guò)充電的電容會(huì )在短時(shí)內造成過(guò)大電流通過(guò)負載，這樣可能永久地損壞LED。

在大容量電容兩端接上電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，可以把輸出電壓降至微控制器可以處理的范圍。信號隨之輸入到比較器，比較器的輸出連接到可將其關(guān)閉的電流調節系統。當電壓超過(guò)預設的限值，比較器就會(huì )打開(kāi)開(kāi)關(guān)，關(guān)閉系統。

環(huán)境條件監測：

LED燈具會(huì )放置在各種環(huán)境中工作。在辦公室環(huán)境中，如果燈具能夠檢測到人進(jìn)出房間，在人離開(kāi)房間后關(guān)閉或者降低亮度，對節能頗有好處。這可以節省電力，進(jìn)而節省公司的電費。此外還可以有效利用LED，延長(cháng)其使用壽命。

可以在系統內結合簡(jiǎn)單的環(huán)境光照傳感器（光電二極管或者晶體管）來(lái)完成這項功能。這種傳感器的輸出一般是電流（大小取決于獲得的光照強度），該電流可以用電阻轉換為電壓信號。電壓信號隨即通過(guò)其引腳提供給控制器，然后使用ADC轉換為數字信號?？刂破鞲鶕撝祦?lái)確定合適的動(dòng)作（降低亮度、關(guān)閉或者開(kāi)啟）。

LED自身也會(huì )發(fā)熱，但與白熾燈所不同的是LED發(fā)出的熱量隨其終端傳遞，而白熾燈的熱傳遞方向與光照方向一致。另外，LED燈一般安裝在緊湊的空間內，散熱條件惡劣。如果出現非正常的溫度陡增，可能會(huì )引發(fā)各種后果，如零部件和LED的壽命下降乃至永久損壞，在極端的情況下甚至可能引發(fā)火災。

總體而言，大致有兩種監測系統溫度的方法。其中成本較高的一種是采用基于I2C的溫度感應器向控制器發(fā)送與溫度相關(guān)的數字信號。當控制器具有內建的I2C接口時(shí)，如PowerPSoC LED驅動(dòng)控制器系列，這種方法涉及的處理器開(kāi)銷(xiāo)很小，因為溫度值被直接報告了。另一種成本較低的方法是使用熱敏電阻和一個(gè)普通電阻構成分壓網(wǎng)絡(luò )。分壓信號輸入到控制器，后者使用ADC將其轉換為數字值，并根據溫度情況采取相應的動(dòng)作。處理器需要執行額外的工作來(lái)把數字值轉換為溫度的對應值。接著(zhù)可以把熱敏電阻的電壓直接輸入到比較器（類(lèi)似負載電壓監測的跳接功能）。比較器可以根據預設的閾值開(kāi)啟或關(guān)閉LED驅動(dòng)系統。

實(shí)時(shí)負載電流控制：

前文討論了如何監測負載電流、電壓和環(huán)境條件。智能燈具還應該具備根據監測到的狀況改變其行為的能力。

例如，智能燈具應該能夠通過(guò)變更驅動(dòng)電流或者輸出的數字密度（PWM）來(lái)調整亮度。這可以根據環(huán)境條件、負載狀況或者外部輸入，如按鈕或者通信接口來(lái)完成。動(dòng)作可根據多種因素做出，并可對每種因素分配優(yōu)先級。

例如，控制器應能對I2C或者UART這樣的通信接口做出響應，并根據收到的數據調整亮度。不過(guò)，當輸入電壓降至閉鎖閾值之下，或者溫度升至安全值之上時(shí)，控制器可以逐步降低亮度（不考慮通信接口），并在設定值處關(guān)閉燈具。這樣設定的動(dòng)作可以有許多。

傳統上，LED驅動(dòng)器必須有由硬件（電阻值）設定的驅動(dòng)電流，因此進(jìn)行實(shí)時(shí)改變一般來(lái)說(shuō)是不可能的。在軟件可配置的LED驅動(dòng)系統中，比如PowerPSoC，改變LED的驅動(dòng)電流只需改寫(xiě)一些DAC寄存器。另外，采用軟件可配置系統可以使用單一的硬件平臺設計具有不同功能項的產(chǎn)品。

故障記錄和診斷：

在燈具安裝到大型建筑、停車(chē)場(chǎng)、街道等商業(yè)場(chǎng)合后，維修和更換會(huì )影響到成本和維護效率。如果控制器配有與“母”控制器通信的接口，用以規劃維修和更換工作，該控制器也可用于記錄和報告故障情況。

例如，燈具可能會(huì )因下列任何原因之一而損壞（或者保險絲主動(dòng)熔斷）：

middot; 負載開(kāi)路

· 負載短路

· 系統溫度超過(guò)閾值的次數多于預設的次數

· 負載兩端出現過(guò)壓

· LED壽命終止或者出現過(guò)早老化

· 輸入電壓達不到閉鎖值的時(shí)間超過(guò)預設時(shí)長(cháng)。

這些狀況都要求監測燈具的工作時(shí)長(cháng)。這項功能只要求一個(gè)足夠精確、能夠記錄工作時(shí)長(cháng)的時(shí)鐘（精確到秒）?？刂破鲀炔康拇蠖鄶祪炔可蓵r(shí)鐘都有一定的冗余度，可以決定計時(shí)系統的最終精度。更加精確的時(shí)鐘一般都要求外部振蕩器或者時(shí)鐘源。

為了記錄故障的原因，恰在系統關(guān)閉之前或者保險絲熔斷之前的系統狀況必須存儲到非易失性介質(zhì)中。帶閃存的控制器可以把這些狀況存儲到閃存中。

另一種方式是使用通過(guò)I2C接口與控制器相連的串行EEPROM器件。系統的工作情況和周邊情況可以不斷地、或者在保險絲主動(dòng)熔斷/系統關(guān)閉之前存儲到EEPROM器件中。

在從設備中拆除故障燈具時(shí)，可以使用PC或者其他控制器讀出非易失性存儲器件，確定故障發(fā)生前的狀況。讀出的信息可用于確定零部件故障率、未知或者不可預測的環(huán)境狀況，而且一般可以用來(lái)幫助工程師查找故障根源。

新型設計范例：

傳統上，電源管理線(xiàn)路是完全用硬件實(shí)現的，唯一的配置性也是通過(guò)硬件提供的。其結果就是如果要創(chuàng )建產(chǎn)品的多種變形或者新產(chǎn)品，則需要獨特的硬件組件組合。如果要縮短設計周期或者縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，就需要重新考察設計范例。例如，如果設計流程替代所包含的可配置軟件模塊，就可以大幅度縮短設計周期。

其次，要讓產(chǎn)品從競爭對手的產(chǎn)品中脫穎而出，或者脫離過(guò)去產(chǎn)品的窠臼，只需要變更軟件配置并使用具有多重選擇的同一硬件平臺即可。軟件可配置性還消除了采用硬件組件進(jìn)行配置通常所面臨的冗余度問(wèn)題。如果整個(gè)產(chǎn)品系列能夠基本同時(shí)投產(chǎn)或者依次投產(chǎn)，就能夠增強進(jìn)行差異化的競爭優(yōu)勢。