探索利用MCU增加LED照明系統(tǒng)的智能程度的方法

　　將智慧功能加入發(fā)光二極體（LED）照明應(yīng)用須要將固定功能LED驅(qū)動器改換成微控制器（MCU）或可程式架構(gòu)（Programmable Architecture）。對于需要進(jìn)階功能的應(yīng)用而言，使用MCU可達(dá)到許多智慧功能，例如塬生調(diào)光控制（NaTIve Dimming Control）、專業(yè)混色（Specialized Color Mixing）、適應(yīng)式照明控制（AdapTIve LighTIng Control）及遠(yuǎn)端連結(jié)（Remote ConnecTIvity）。

　　對于照明應(yīng)用而言，電力電子（Power Electronics）產(chǎn)品專用的MCU甚至能有效控制燈具電源供應(yīng)，使其符合成本效益，并進(jìn)行照明控制及通訊。如同許多現(xiàn)代電子產(chǎn)品的趨勢，改用數(shù)位控制開啟了更多彈性空間，且為照明產(chǎn)品帶來新水準(zhǔn)的智慧功能及差異性。

　　專用MCU滿足LED應(yīng)用市場

　　照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)過快速演進(jìn)，現(xiàn)今LED技術(shù)展現(xiàn)許多效益。然而，不同類型的LED照明應(yīng)用，因所支援的功能不同，亦有極大的差異。其中，住宅方面的應(yīng)用包括燈泡更換、重點(diǎn)照明（Accent Lighting）與小範(fàn)圍室外照明，一般而言只須點(diǎn)亮一或兩個LED燈串，但此一市場具有成本壓力，因此進(jìn)階控制尚不普遍。至于商業(yè)應(yīng)用方面，包括螢光燈安定器（Fluorescent Ballast）、燈泡更換及重點(diǎn)照明，亦只須點(diǎn)亮一至兩個LED燈串，同樣受限于成本考量，此一市場具有高度節(jié)能意識；而高階應(yīng)用則須要遠(yuǎn)端連結(jié)與智能控制器功能。

　　此外，娛樂應(yīng)用方面，則包括高階顯示器及情境照明（Mood Lighting）。完整強(qiáng)度控制與一致的色彩品質(zhì)相當(dāng)重要，對于數(shù)位尋址照明介面（DALI）或DMX-512之類的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)定，遠(yuǎn)端連結(jié)與支援也相當(dāng)重要。室外及基礎(chǔ)建設(shè)則包括街道照明、工廠與辦公大樓照明等應(yīng)用，此一市場的設(shè)備一般有為數(shù)眾多的LED，并須支援許多燈串，其中，高亮度LED也相當(dāng)常見，而這些應(yīng)用則相當(dāng)須要遠(yuǎn)端連結(jié)與高度智慧控制器。

　　降低系統(tǒng)建置成本　MCU實(shí)現(xiàn)高彈性LED照明

　　最簡單的LED照明系統(tǒng)使用LED驅(qū)動器。這些固定功能裝置可直接控制LED，且成本相當(dāng)?shù)汀Ｒ话愣?，這些裝置可達(dá)到良好的能源效率，且不須要軟體程式設(shè)定。在最壞的情況下，開發(fā)人員須進(jìn)行多次計(jì)算，選擇所需的驅(qū)動器，或決定電路板元件的配置值。

　　雖然LED驅(qū)動器可直接使用，不過對于較進(jìn)階的系統(tǒng)而言則顯得彈性不足。若要支援不同類型的LED（如高瓦數(shù)或不同色彩），或不同的LED燈串配置，則可能須使用不同的解決方案。事實(shí)上，系統(tǒng)的任何改變（如燈串的LED數(shù)和燈串?dāng)?shù)）都可能使驅(qū)動器也須隨之變更。因此，塬始設(shè)備製造商（OEM）供應(yīng)的大多數(shù)照明產(chǎn)品都可能需要獨(dú)特的類比驅(qū)動器。對于大型系列產(chǎn)品而言，這會增加OEM或供應(yīng)商的庫存品項(xiàng)數(shù)，而可能造成經(jīng)濟(jì)規(guī)模降低或設(shè)備成本提高。

　　另一方面，智能控制器能讓開發(fā)人員建立更具彈性的照明系統(tǒng)。在MCU系統(tǒng)中，可設(shè)定程式碼支援各種LED、獨(dú)特的功率級需求、不同的燈串長度以及不同數(shù)量的燈串，而不須大幅變更硬體。系統(tǒng)也可另做設(shè)計(jì)，以自動偵測須要驅(qū)動哪些LED。MCU系統(tǒng)的可編程特性也可達(dá)到進(jìn)階調(diào)光及定序功能，提供更進(jìn)階的照明場景控制和自動化照明亮度。

　　彈性的數(shù)字化控制可使OEM能設(shè)計(jì)可控制多種產(chǎn)品的單一控制器。由于控制器IP可重復(fù)使用，因此也可大幅減少設(shè)計(jì)投資；彈性的控制器亦可減少庫存的裝置數(shù)目，同時透過更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低整體系統(tǒng)成本。

　　實(shí)現(xiàn)智能LED照明　數(shù)字控制整合功不可沒

　　智能LED照明系統(tǒng)的基本架構(gòu)包含叁個主要階段，即電源轉(zhuǎn)換（Power Conversion）、LED控制及通訊（圖1）。電源轉(zhuǎn)換階段會將正確的電壓及電流傳送到LED。首先進(jìn)行交流對直流（AC-DC）整流，再進(jìn)行功率因數(shù)修正（PFC）階段，最后進(jìn)行一次或多次平行直流對直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換階段。若要提供有效的電源轉(zhuǎn)換，則須要精準(zhǔn)、靈活地控制這些轉(zhuǎn)換階段。

　　圖1 智能LED照明系統(tǒng)包含電源轉(zhuǎn)換、LED 控制及通訊叁個主要階段

　　各個主要階段皆需智能控制器維持效率及功能。使用固定功能的類比做法時，可能需要個別的PFC、DC-DC、LED及通訊控制器。然而，使用專用的電源電子產(chǎn)品MCU時，可透過高度整合降低燈具電源供應(yīng)的元件成本。在效能、電源優(yōu)化的周邊及通訊連接埠充足的情況下，單一MCU可控制照明系統(tǒng)功率級、LED照明控制及通訊等叁大主要部分的潛力。透過MCU的數(shù)位整合功能，照明系統(tǒng)能減少許多不必要的元件，同時運(yùn)用中央可程式平臺協(xié)調(diào)控制智能照明系統(tǒng)的叁個主要階段。

　　數(shù)位電源控制也能夠提升動態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。雖然LED的效率高于傳統(tǒng)的照明設(shè)備，運(yùn)作及能源成本相對降低，但并非所有LED系統(tǒng)都完全相同。以任何方式進(jìn)行調(diào)光、變換色彩輸出或調(diào)整亮度輸出時，數(shù)位電源控制能使LED照明系統(tǒng)的功率級達(dá)到更高的效率。同樣在固定照明的情況下，MCU也能夠透過更進(jìn)階的功率級設(shè)計(jì)提升運(yùn)作效能。這樣的效率提升對于終端使用者相當(dāng)具吸引力，對于在其他方面皆相同的兩個LED系統(tǒng)而言，是值得突顯的差異之處。

　　舉例來說，假設(shè)某座城市計(jì)畫更換兩千盞路燈，在比較兩種型號時，效率達(dá)到10%的差異（圖2）。值得注意的是，高效率系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入電源為178瓦（W），而低效率系統(tǒng)需要200瓦才能達(dá)到相同的160瓦照明輸出。相當(dāng)于年度能源成本節(jié)省10%，光就電源供應(yīng)的能源效率計(jì)算，等于節(jié)省33，726美元，這筆節(jié)省的成本遠(yuǎn)高于LED系統(tǒng)所節(jié)省的成本。

　　圖2 電源的數(shù)位控制能夠達(dá)到高于類比系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，且節(jié)省的成本高于LED技術(shù)。在這個例子中，10%的效率差異，相當(dāng)于年度能源成本節(jié)省10%，單就電源供應(yīng)的能源效率計(jì)算，等于節(jié)省33，726美元。這樣的效率對于終端使用者相當(dāng)具吸引力，對于在其他部分皆相同的兩個LED系統(tǒng)而言，是關(guān)鍵的差異。

　　靈活修正色彩與亮度　MCU提升LED照明品質(zhì)

　　對于商用照明及娛樂照明等多項(xiàng)應(yīng)用而言，照明品質(zhì)相當(dāng)重要。品質(zhì)在此是指能夠輸出一致的亮度和色彩之能力。然而，製造變異（Manufacturing Variation）、溫度和老化這叁個主要因素會影響LED效能。

　　此外，各批次的LED輸出可能差異極大。使用同一批次的LED可維持單一裝置的品質(zhì)穩(wěn)定。然而，如果同一產(chǎn)品線的裝置使用不同批次的LED，可能由于製造變異而出現(xiàn)不同的照明品質(zhì)。若將其中兩個裝置相鄰安裝，則可能產(chǎn)生顯著差異，并令人無法接受的照明品質(zhì)。透過智能MCU，即可調(diào)校系統(tǒng)，以彌補(bǔ)任何差異。由于這是以軟體進(jìn)行，因此，產(chǎn)品須維持一致時，可在製造過程中進(jìn)行有效的調(diào)校程序。

　　隨著環(huán)境溫度變化，LED的輸出也會產(chǎn)生變化。為因應(yīng)這一點(diǎn)，系統(tǒng)須能以感測器偵測環(huán)境溫度。MCU須能夠讀取感測器，并隨之調(diào)整LED驅(qū)動，以靈活修正色彩及亮度。由于溫度檢查僅須定期進(jìn)行，因此該功能的常用開支相當(dāng)?shù)汀?/p>

　　此外，MCU亦可使系統(tǒng)能監(jiān)控自身安全運(yùn)作；如果LED的溫度超過特定臨界值，照明控制器可降低亮度或關(guān)閉燈串，同時遠(yuǎn)端通知操作人員發(fā)生問題。過熱會使得LED提早老化，造成照明輸出降低。確保LED不超過特定溫度可延長其使用壽命。

　　當(dāng)LED老化的同時，品質(zhì)也會受影響，造成色彩配置變異。例如，紅光LED的壽命比藍(lán)光LED短，而特定電源輸出或脈衝寬度調(diào)變（PWM）頻率所產(chǎn)生的色彩會隨時間改變。智能控制器可解決老化問題，并修正色彩配置，以維持LED系統(tǒng)在使用壽命期間一致的照明效果。

　　管理品質(zhì)技術(shù)也可提升安全及效率。例如照明依環(huán)境光線而調(diào)整--大雨期間，可將部分地區(qū)路燈提早點(diǎn)亮；若環(huán)境光線充足，可將照明調(diào)暗，以減少電源耗用。 透過運(yùn)用各種感測器及遠(yuǎn)端連線，LED照明應(yīng)用的安全及效率可大幅提升。例如，交通號誌或特定路燈的感測器可監(jiān)測深夜的交通路況。如果交通相當(dāng)繁忙，該網(wǎng)路即可點(diǎn)亮比平時更多的路燈。

　　智能LED控制器不僅提高照明品質(zhì)，還擁有調(diào)光及色彩混合等其他功能。在評估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可將個別燈光關(guān)閉或調(diào)暗。例如，在倉庫中，工人可能分散在不同的空間作業(yè)，此時使用人體感測器，即可將正在使用的空間點(diǎn)亮，如果同一時間只有50%的樓層使用中，即可將其余的燈光關(guān)閉，節(jié)省一半的能源。

　　再次以圖2的路燈為例。由于深夜交通流量減少，多數(shù)路燈的亮度可調(diào)暗。若搭配通訊網(wǎng)絡(luò)使用動作感測器，即可按照實(shí)際的交通需求開啟或關(guān)閉路燈。若路燈關(guān)閉的時間達(dá)到25%的程度（圖3），則可節(jié)省25%的能源，即68，218美元。此例中，透過電源供應(yīng)效率與智慧運(yùn)作，系統(tǒng)每年總共可節(jié)省多達(dá)101，844美元，大約達(dá)到33%的程度。

　　圖3 在評估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可將個別燈光關(guān)閉或調(diào)暗。例如，使用人體感測器即可將目前須要使用的燈光點(diǎn)亮。接續(xù)圖2的例子，如果路燈關(guān)閉的時間達(dá)到25%的程度，則可節(jié)省25%的能源（68，218美元）。對于此應(yīng)用，透過電源供應(yīng)效率與智慧運(yùn)作，系統(tǒng)每年總共可節(jié)省多達(dá)101，844美元，大約達(dá)到33%的程度。