LED燈具也要智能控制 走出差異化怪圈

LED風(fēng)風(fēng)火火了這么久，躋身LED的人越來越多，倒閉潮、并購潮不能改變大家對LED的熱情，做傳統(tǒng)燈具的來做LED照明，做節(jié)能燈的來做LED照明，只要跟照明沾邊的行業(yè)都跑來做LED，在這樣的大環(huán)境下，看看差異化的設(shè)計(jì)。

LED照明的出現(xiàn)改變了照明的使用方式，在LED燈具中加入智能控制及調(diào)色功能為設(shè)計(jì)人員開創(chuàng)了新的機(jī)會。LED效率高、具調(diào)光能力、壽命長等優(yōu)勢，能讓可變色燈具的效率更高、更具成本效益并且更加容易取得。數(shù)碼信號控制器(DSC)可驅(qū)動各種創(chuàng)新應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)更高效率的LED驅(qū)動、更精確的色彩控制并與外部有著更良好的溝通。以上優(yōu)勢匯集使得設(shè)計(jì)人員擁有更大的自由開發(fā)高度差異化的LED照明燈具。

低功率指示器LED為許多產(chǎn)品的基本，大多數(shù)工程師都很熟悉其簡單的設(shè)計(jì)。只要一個電壓源以及具有正確數(shù)值的串聯(lián)電阻，便能將LED電流保持在小于5毫安的水平。透過連接至微控制器的通用型輸入輸出(GPIO)接腳，可讓LED閃爍;然而，要將超過350毫安的順向電流串接在一起形成高亮度、高電流LED，其設(shè)計(jì)會變得相當(dāng)復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員在溫度變化及LED本身的高溫問題外，還需面臨電流控制的挑戰(zhàn)。

圖一：使用脈沖電流進(jìn)行調(diào)光，顏色變化上不易察覺。

圖二：驅(qū)動單顆LED或LED燈串的降壓技術(shù)。

電流控制

高亮度LED需維持在一個相對高的定電流來保持一定的亮度和顏色。LED的光通量與流經(jīng)LED的順向電流成正比，要達(dá)到一致的顏色和光線輸出，關(guān)鍵是恒定的順向電流。順向電流會跟著電壓源產(chǎn)生改變，造成LED發(fā)射出的光線變動。因此，需使用能主動調(diào)節(jié)順向電流的電源供應(yīng)器來驅(qū)動。

溫度控制

一般而言，LED的順向電壓會隨著溫度上升而增加，即使順向電流是不變且經(jīng)過調(diào)整的。高功率LED會產(chǎn)生熱能，導(dǎo)致LED壽命縮減并提早發(fā)生故障。控制LED的順向電流能讓個別設(shè)計(jì)根據(jù)目標(biāo)順向電流及預(yù)估順向電壓來決定散熱水平。使用溫度感應(yīng)器提供了一個監(jiān)控溫度狀況的方法。

色彩控制

LED幾乎可以瞬間改變輸出光線，適用于需迅速改變顏色的燈具。只要簡單調(diào)整每一個LED的亮度，就可以紅色、綠色和藍(lán)色的LED燈串創(chuàng)造出任何顏色。提高或降低每一個LED的順向電流為其中一種方法，但順向電壓的改變不僅會改變亮度，也會稍微改變LED的顏色。在需要精確顏色的應(yīng)用上將會造成問題。

另一種方法是采用脈沖電流(pulsedcurrent)，此方法能提供相同的調(diào)光效果，卻不會讓顏色出現(xiàn)可察覺的變化。圖一中紅色虛線代表平均脈沖電流可創(chuàng)造出的亮度變化，同時保持LED順向電壓的一致性。在顏色上不會產(chǎn)生可察覺的變化。

數(shù)碼調(diào)光控制

使用脈沖電流技術(shù)來進(jìn)行調(diào)光，數(shù)碼信號控制器可大幅簡化其設(shè)計(jì)。數(shù)碼信號控制器上的先進(jìn)脈沖寬度調(diào)變(PWM)模塊，可用來產(chǎn)生PWM信號，用來控制LED的功率級。PWM模塊具有重置輸入，可以透過快速并精確地關(guān)閉PWM輸出來控制電流，實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光。調(diào)光的數(shù)量介于全滅(0)及全亮(255)數(shù)值之間的量化數(shù)字。將LED亮度設(shè)定為50%，計(jì)數(shù)器會從0數(shù)到255，并在128(50%)時關(guān)閉PWM的輸出，這時將無任何電流通過LED;當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)最大值255時會歸0，同時PWM會重新啟動。不斷重復(fù)此過程便能產(chǎn)生LED調(diào)光所需的脈沖電流。一般會使用400Hz以上的頻率來確保人眼無法看見LED的閃爍。

數(shù)碼LED驅(qū)動

除了調(diào)光控制外，數(shù)碼信號控制器也能主動提供電源來控制流向高亮度LED的順向電流。降壓和升壓開關(guān)模式電源供應(yīng)技術(shù)(SwitchModePowerSupply;SMPS)能被用來為LED供電。

若LED或LED燈串的順向電壓小于電源電壓，便可使用降壓技術(shù)。如圖二所示，在此技術(shù)中，PWM會控制開關(guān)(Q)，以及當(dāng)開關(guān)(Q)關(guān)閉時對應(yīng)于LED順向電流的感測電阻(Rsns)電壓。數(shù)碼信號控制器的比較器被用來比較流經(jīng)電阻(Rsns)的電壓及可配置的內(nèi)部參考電壓，此參考電壓與LED所需的順向電流成正比。感測電壓大于內(nèi)部參考電壓時，類比比較器會阻止PWM打開開關(guān)(Q)，電感(L)會將儲存電流放電至二極管(D)及LED。在下一個PWM周期開始時，開關(guān)(Q)會關(guān)閉;然后不斷重復(fù)此過程。數(shù)碼信號控制器可主動調(diào)整流至LED的順向電流，無需動用任何CPU的資源。

反之，若LED或LED燈串的順向電壓大于電源電壓則可使用順向電壓。PWM會控制開關(guān)(Q)，流經(jīng)感測電阻(Rsns)的順向電流會被監(jiān)測。數(shù)碼信號控制模塊上的類比數(shù)碼轉(zhuǎn)換(ADC)模塊會取樣流經(jīng)感測電阻的電壓，對應(yīng)至LED的順向電流。此數(shù)值會被比例積分(ProportionalIntegral;PI)控制回路所采用，由數(shù)碼信號控制器的軟件執(zhí)行，根據(jù)ADC讀數(shù)及對應(yīng)于所需電流的軟件參考值來調(diào)整開關(guān)(Q)的工作周期。藉由在軟件中實(shí)現(xiàn)PI控制回路，數(shù)碼信號控制器能提供采用多種控制回路方式的彈性。盡可能減少PI控制回路所使用的CPU資源，數(shù)碼信號控制器可控制多個LED燈串，還能支持額外功能。

數(shù)碼通訊

數(shù)碼信號控制器能以智能的方式控制LED燈具，還能執(zhí)行通訊協(xié)定，無需使用獨(dú)立通訊控制裝置。例如，DMX512照明控制協(xié)定使用標(biāo)準(zhǔn)的單向通訊，透過一個主裝置及多個從屬裝置，以512位元的封包數(shù)據(jù)速率和分別定址至每一個裝置或節(jié)點(diǎn)，將指令傳送至個別燈具。高速處理讓數(shù)碼信號處理器(DSP)能夠快速執(zhí)行控制回路，可針對升壓轉(zhuǎn)換器優(yōu)先采用控制器，還能運(yùn)行DMX512等通訊協(xié)定。由于此通訊是在軟件中執(zhí)行，不限于單一協(xié)定，能采用各種通訊方式來控制燈具。

縮短學(xué)習(xí)曲線

對設(shè)計(jì)人員來說，數(shù)碼LED控制的學(xué)習(xí)曲線是陡峭的，藉由使用數(shù)碼控制LED照明工具套件、參考設(shè)計(jì)及應(yīng)用需知，事情將變得容易些。包括免費(fèi)的程序原始碼、硬件文件以及可互換的功率級，以支持不同的功率拓墣。Microchip的DM330014LED照明開發(fā)套件便提供多張LED驅(qū)動器子卡，讓設(shè)計(jì)人員在同一塊板子上實(shí)驗(yàn)多種驅(qū)動級。[!--empirenews.page--]

LED的高效率及立即調(diào)光能力，能持續(xù)驅(qū)動混色及其它照明應(yīng)用的進(jìn)展。加入數(shù)碼信號控制器所提供的智能控制及通訊功能，設(shè)計(jì)人員將能為LED照明燈具添加先進(jìn)的功能與特色，呈現(xiàn)出照明應(yīng)用的差異性。

在LED燈中加入智能控制，可以更好的發(fā)揮LED的優(yōu)勢，節(jié)能優(yōu)勢也會發(fā)揮的更完善，在不同的環(huán)境下改變顏色，亮度已經(jīng)成了事實(shí)，智能控制將是LED未來的趨勢。