智能家庭照明系统

意法半导体模拟暨MEMS事业部中央实验室
Aman Jha, Ranajay Mallik, Raunaque Mujeeb Quaiser and Jitendra Jain
AMG CENTRAL LAB, STMicroelectronics, Greater Noida, INDIA
Aman Jha、Ranajay Mallik，Raunaque Mujeeb Quaiser，Jitendra Jain

由于能源管理与节能现今已成全球热门话题，加上智能手机逐渐改变人类生活方式，“智能家庭照明系统”因此成为照明产业里一个备受瞩目的领域。 这个领域最大的技术进展，就是利用“低功耗蓝牙”(BLE)技术链接网络并提供遥控功能。 低功耗蓝牙是智能家庭自动化与照明领域里被十分看好的技术。 它是传统蓝牙技术的升级版，同样使用2.4GHz无线电频段。 相较于传统蓝牙技术，低功耗蓝牙较为明显的特色之一就是耗电更低，因此适合用在LED照明。

从效能、寿命、光的质量与可靠度来看，LED都是照明技术里面的佼佼者。 为LED照明添加智能功能，可进一步提升相关产品的卓越性。 选择式的开／关功能与亮度控制，可延长系统寿命并减少能耗。 当输入来自AC端且LED为恒定电流DC负载，电力质量就成为LED照明另一个必须处理的主要考虑点。 LED照明还建议采用IEC61000-3-2 Class C谐波准则、电磁干扰限制(CISPR 15)以及能源之星 (Energy Star)标章（待机耗能）。 因此并不建议使用二极管桥式整流器搭配大容量电容器为LED照明供电。 我们建议的智能型LED驱动器就能解决所有问题。

本文将探讨的智能家庭照明，采用单片式线外LED驱动器以及低功率蓝牙模块，并透过Android应用程序进行操控。这种智能家庭照明系统通过了所有由监管机关建议使用的既有准则。 此外它的待机耗能也非常低。 图1是低功耗蓝牙智能家庭照明系统的架构方块图。

图1：低功耗蓝牙智能家庭照明系统的功能方块图

图2则是智慧家庭照明系统实际使用的硬件，供生产就绪(ready-to-manufacture)解决方案开发之用。这套系统的配置主要分为三个方面：LED驱动器电源供应、微控制器单元，还有供使用者操控用的Android应用程序。LED驱动器采用了离线交直流转换器，搭配具备高功率因数(PF)和低总协波失真(THD)的准谐振反激模式。至于能源转换则采用HVLED815PF，是一种单片式线外初级传感恆定电流LED驱动器。它很适合低成本低耗能应用，因为初级端调节(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器产生LED电流反馈。它还有助于减少成本和印刷电路板面积，且符合国际电工委员会(IEC)针对照明系统所推荐的IEC61000-3-2 Class C谐波准则。这种LED驱动器在欧盟(EU)全区效率均都超过84%，待机耗电也非常之低(<0.5W)。虽然HVLED815PF芯片没有提供专用的脉宽调变(PWM)调光专用引脚，但脉宽调变调光在这款设计里仍然是可行的。调光的深度为输出功率的2.5%。有了当LED关闭时仍可运作的线外辅助电源设计，即使处于关闭状态电路板仍与公用电力系统系统保持联通。SPBTLE-RF（支持低功耗蓝牙4.1版、网路处理器模组搭配整合式射频输入，且经美国联邦通讯委员会﹝FCC﹞认证）与STM32L051（超低功率微控制器）负责网路连接，还有利用Android应用程式进行遥控、开关等功能。此外还有其他功能，例如利用单一接口进行多重电路板控制。以安装了数款LED照明灯具的一般住家来说，增设这些高级设备时最重要的一点就是节省电费。表1为智慧家庭照明系统规格，图3-8则是LED驱动器的测试结果。

图2则是智能家庭照明系统实际使用的硬件，供生产就绪(ready-to-manufacture)解决方案开发用。 这套系统的建置主要分为三个方面：LED驱动器电源供应、微控制器单元，还有供用户操控用的Android应用程序。 LED驱动器采用了脱机交直流转换器，搭配具备高功率因子(PF)和低总协波失真(THD)的准共振返驰模式。 至于能源转换则采用HVLED815PF，是一种单片式线外初级感测恒定电流LED驱动器。 它很适合低成本低耗能应用，因为初级调节回授控制(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器产生LED电流反馈。 它还有助于减少成本和印刷电路板面积，且符合国际电工委员会(IEC)针对照明系统所推荐的IEC61000-3-2 Class C谐波准则。 这种LED驱动器在欧盟(EU)全区效率均都超过84%，待机耗电也非常之低(<0.5W)。 虽然HVLED815PF芯片没有提供专用的脉宽调变(PWM)调光专用引脚，但脉宽调变调光在这款设计里仍然是可行的。 调光的深度为输出功率的2.5%。 有了当LED关闭时仍可运作的线外辅助电源设计，即使处于关闭状态电路板仍与公用电力系统系统保持联通。 SPBTLE-RF（支持低功耗蓝牙4.1版、网络处理器模块搭配整合式射频输入，且经美国联邦通讯委员会﹝FCC﹞认证）与STM32L051（超低功率微控制器）负责网络连接，还有利用Android应用程序进行遥控、开关等功能。 此外还有其他功能，例如利用单一接口进行多重电路板控制。 以装设了数款LED照明灯具的一般住家来说，增设这些高级设备时最重要的一点就是节省电费。 表1为智能家庭照明系统规格，图3-8则是LED驱动器的测试结果。

                                          
图2：智能家庭照明系统的硬件与应用程序

表1：智能家庭照明系统规格

图3：不同输入电流下的功率因数值

图4：不同输入电流下的总谐波失真数值

图5：不同输入电流下的电流调节变化

图6：效率随输入电流不同而有所变化

图7：谐波测量结果


图8：调光时的LED电流线性图

示范Android应用程序的使用

前面提过有专属的Android应用程序。 这款应用程序必须使用支持低功耗蓝牙的智能手机来执行。 用户可在屏幕上拖放以选择特定照明器具。 以往Android智能手机只支持一组主从低功耗蓝牙链接。 这代表用户只能使用智能手机控制一组低功耗蓝牙照明器具。 Android 5.0 Lollipop推出后，操作系统与相关硬件最多可支持7组主从低功耗蓝牙链接。 这代表即使小家庭也可一次控制7组独立的低功耗蓝牙家电产品，像是灯具、电扇，对制造商来说都是很好的卖点。 我们为低功耗蓝牙照明设计所开发的Android应用程序，能同时支持7组链接。 Google Nexus 9是一款支持多组链接的平板装置，相关功能可能因行动装置制造商而有所不同。 图9为Android应用程序搭配智能照明的运作情形。 正如前面提过的，以上所有LED灯具的硬件都支持低功耗蓝牙链接。 利用这款Android应用程序，用户可依如图10所示选择智能照明、灯泡或灯具等选项，然后将智能照明选项拖放到房屋配置图。 在Android应用程序方面，用户必须独立链接每一个LED灯具。 一旦建立链接，用户就能控制个别灯具。

智能手机支持不同网络链接技术，为不同产业部门开启了各式各样的使用案例，范围小至家庭自动化大到智慧城市。 随着手机成本下滑，加上手机联网技术新标准相继出炉，家庭自动化将出现众多使用案例，而智能照明就是智能家庭自动化的必备项目或使用案例之一。 智能照明提供用户更多弹性空间，让他们能利用移动电话控制灯具，同时有助于降低耗电。

图9：示例应用程序使用方式

图10：示例如何使用应用程序操作多种灯具

智能家庭照明系统适用于有气氛照明功能及频繁操控需求的智能家庭或场所。 LED的变化能带来不同的照明体验。 这类灯具加上整合式控制功能，就能提供一种可提升用户体验的照明解决方案。 只要缩小印刷电路板尺寸并使用Android应用程序，就能强化智能家庭照明在日常生活领域的可用性和普及率。