高效能MCU助阵 LED照明系统增添智能功能

2013-10-10 13:15:48来源: 互联网

将智能功能加入发光二极体(LED)照明应用须要将固定功能LED驱动器改换成微控制器(MCU)或可程式架构(Programmable Architecture)。对于需要进阶功能的应用而言,使用MCU可达到许多智能功能,例如原生调光控制(Native Dimming Control)、专业混色(Specialized Color Mixing)、适应式照明控制(Adaptive Lighting Control)及远端连结(Remote Connectivity)。

对于照明应用而言,电力电子(Power Electronics)产品专用的MCU甚至能有效控制灯具电源供应,使其符合成本效益,并进行照明控制及通讯。如同许多现代电子产品的趋势,改用数位控制开启了更多弹性空间,且为照明产品带来新水准的智能功能及差异性。

专用MCU满足LED应用市场

照明产业经过快速演进,现今LED技术展现许多效益。然而,不同类型的LED照明应用,因所支持的功能不同,亦有极大的差异。其中,住宅方面的应用包括灯泡更换、重点照明(Accent Lighting)与小范围室外照明,一般而言只须点亮一或两个LED灯串,但此一市场具有成本压力,因此进阶控制尚不普遍。至于商业应用方面,包括萤光灯安定器(Fluorescent Ballast)、灯泡更换及重点照明,亦只须点亮一至两个LED灯串,同样受限于成本考量,此一市场具有高度节能意识;而高阶应用则须要远端连结与智能型控制器功能。

此外,娱乐应用方面,则包括高阶显示器及情景照明(Mood Lighting)。完整强度控制与一致的色彩品质相当重要,对于数位寻址照明介面(DALI)或DMX-512之类的业界标准通讯协定,远端连结与支援也相当重要。室外及基础建设则包括街道照明、工厂与办公大楼照明等应用,此一市场的设备一般有为数众多的LED,并须支援许多灯串,其中,高亮度LED也相当常见,而这些应用则相当须要远端连结与高度智能控制器。

降低系统建置成本 MCU实现高弹性LED照明

最简单的LED照明系统使用LED驱动器。这些固定功能装置可直接控制LED,且成本相当低。一般而言,这些装置可达到良好的能源效率,且不须要软体程式设定。在最坏的情况下,开发人员须进行多次计算,选择所需的驱动器,或决定电路板元件的配置值。

虽然LED驱动器可直接使用,不过对于较进阶的系统而言则显得弹性不足。若要支援不同类型的LED(如高瓦数或不同色彩),或不同的LED灯串配置,则可能须使用不同的解决方案。事实上,系统的任何改变(如灯串的LED数和灯串数)都可能使驱动器也须随之变更。因此,原始设备制造商(OEM)供应的大多数照明产品都可能需要独特的类比驱动器。对于大型系列产品而言,这会增加OEM或供应商的库存品项数,而可能造成经济规模降低或设备成本提高。

另一方面,智能型控制器能让开发人员建立更具弹性的照明系统。在MCU系统中,可设定程式码支援各种LED、独特的功率级需求、不同的灯串长度以及不同数量的灯串,而不须大幅变更硬件。系统也可另做设计,以自动侦测须要驱动哪些LED。MCU系统的可编程特性也可达到进阶调光及定序功能,提供更进阶的照明场景控制和自动化照明亮度。

弹性的数位化控制可使OEM能设计可控制多种产品的单一控制器。由于控制器IP可重复使用,因此也可大幅减少设计投资;弹性的控制器亦可减少库存的装置数目,同时透过更大的规模经济降低整体系统成本。

实现智能型LED照明 数位控制整合功不可没

智能型LED照明系统的基本架构包含叁个主要阶段,即电源转换(Power Conversion)、LED控制及通讯(图1)。电源转换阶段会将正确的电压及电流传送到LED。首先进行交流对直流(AC-DC)整流,再进行功率因数修正(PFC)阶段,最后进行一次或多次平行直流对直流(DC-DC)转换阶段。若要提供有效的电源转换,则须要精准、灵活地控制这些转换阶段。

图1 智能型LED照明系统包含电源转换、LED 控制及通讯叁个主要阶段

各个主要阶段皆需智能型控制器维持效率及功能。使用固定功能的类比做法时,可能需要个别的PFC、DC-DC、LED及通讯控制器。然而,使用专用的电源电子产品MCU时,可透过高度整合降低灯具电源供应的元件成本。在效能、电源优化的周边及通讯连接埠充足的情况下,单一MCU可控制照明系统功率级、LED照明控制及通讯等叁大主要部分的潜力。透过MCU的数位整合功能,照明系统能减少许多不必要的元件,同时运用中央可程式平台协调控制智能型照明系统的叁个主要阶段。

数位电源控制也能够提升动态系统的转换效率。虽然LED的效率高于传统的照明设备,运作及能源成本相对降低,但并非所有LED系统都完全相同。以任何方式进行调光、变换色彩输出或调整亮度输出时,数位电源控制能使LED照明系统的功率级达到更高的效率。同样在固定照明的情况下,MCU也能够透过更进阶的功率级设计提升运作效能。这样的效率提升对于终端使用者相当具吸引力,对于在其他方面皆相同的两个LED系统而言,是值得突显的差异之处。

举例来说,假设某座城市计划更换两千盏路灯,在比较两种型号时,效率达到10%的差异(图2)。值得注意的是,高效率系统的系统输入电源为178瓦(W),而低效率系统需要200瓦才能达到相同的160瓦照明输出。相当于年度能源成本节省10%,光就电源供应的能源效率计算,等于节省33,726美元,这笔节省的成本远高于LED系统所节省的成本。

图2 电源的数位控制能够达到高于类比系统的转换效率,且节省的成本高于LED技术。在这个例子中,10%的效率差异,相当于年度能源成本节省10%,单就电源供应的能源效率计算,等于节省33,726美元。这样的效率对于终端使用者相当具吸引力,对于在其他部分皆相同的两个LED系统而言,是关键的差异。

灵活修正色彩与亮度 MCU提升LED照明品质

对于商用照明及娱乐照明等多项应用而言,照明品质相当重要。品质在此是指能够输出一致的亮度和色彩之能力。然而,制造变异(Manufacturing Variation)、温度和老化这叁个主要因素会影响LED效能。

此外,各批次的LED输出可能差异极大。使用同一批次的LED可维持单一装置的品质稳定。然而,如果同一产品线的装置使用不同批次的LED,可能由于制造变异而出现不同的照明品质。若将其中两个装置相邻安装,则可能产生显着差异,并令人无法接受的照明品质。透过智能型MCU,即可调校系统,以弥补任何差异。由于这是以软体进行,因此,产品须维持一致时,可在制造过程中进行有效的调校程序。

随着环境温度变化,LED的输出也会产生变化。为因应这一点,系统须能以感测器侦测环境温度。MCU须能够读取感测器,并随之调整LED驱动,以灵活修正色彩及亮度。由于温度检查仅须定期进行,因此该功能的常用开支相当低。

此外,MCU亦可使系统能监控自身安全运作;如果LED的温度超过特定临界值,照明控制器可降低亮度或关闭灯串,同时远端通知操作人员发生问题。过热会使得LED提早老化,造成照明输出降低。确保LED不超过特定温度可延长其使用寿命。

当LED老化的同时,品质也会受影响,造成色彩配置变异。例如,红光LED的寿命比蓝光LED短,而特定电源输出或脉冲宽度调变(PWM)频率所产生的色彩会随时间改变。智能型控制器可解决老化问题,并修正色彩配置,以维持LED系统在使用寿命期间一致的照明效果。

管理品质技术也可提升安全及效率。例如照明依环境光线而调整--大雨期间,可将部分地区路灯提早点亮;若环境光线充足,可将照明调暗,以减少电源耗用。 透过运用各种感测器及远端连线,LED照明应用的安全及效率可大幅提升。例如,交通号誌或特定路灯的感测器可监测深夜的交通路况。如果交通相当繁忙,该网路即可点亮比平时更多的路灯。

智能型LED控制器不仅提高照明品质,还拥有调光及色彩混合等其他功能。在评估照明的使用方式后,如不需要完整的亮度,即可将个别灯光关闭或调暗。例如,在仓库中,工人可能分散在不同的空间作业,此时使用人体感测器,即可将正在使用的空间点亮,如果同一时间只有50%的楼层使用中,即可将其余的灯光关闭,节省一半的能源。

再次以图2的路灯为例。由于深夜交通流量减少,多数路灯的亮度可调暗。若搭配通讯网络使用动作感测器,即可按照实际的交通需求开启或关闭路灯。若路灯关闭的时间达到25%的程度(图3),则可节省25%的能源,即68,218美元。此例中,透过电源供应效率与智能运作,系统每年总共可节省多达101,844美元,大约达到33%的程度。

图3 在评估照明的使用方式后,如不需要完整的亮度,即可将个别灯光关闭或调暗。例如,使用人体感测器即可将目前须要使用的灯光点亮。接续图2的例子,如果路灯关闭的时间达到25%的程度,则可节省25%的能源(68,218美元)。对于此应用,透过电源供应效率与智能运作,系统每年总共可节省多达101,844美元,大

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关键字:高效能  MCU  LED照明

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1010/article_19932.html
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