白光和彩色光智能照明系统设计方案

本文将探讨白光应用与彩色光应用设计之间的相同点与不同点、LED系统设计面临的挑战以及有助于设计人员解决上述问题的功能强大的一些现成解决方案(有些甚至无需编码)。

高亮度LED为照明产业带来了持续的变革,它为包括白光和彩色光设计在内的各种照明系统增加了更多的灵活性与智能化。这些照明系统使设计人员既能动态控制色温,又能在白光应用中保持高的显色指数(CRI)。此外,这些系统还能产生宽范围的高精度彩色光谱。尽管白光与彩色光看上去差别很大,但大多数LED智能照明应用都是采用混合信号控制器、恒流驱动器和高亮度LED这些基本组件进行设计生产。白光与彩色光设计中通常使用多个LED通道,因此所有LED设计方案都需解决器件分选、温度效应、老化及整体色彩精度等问题。采用混合信号控制器不愧为一种强有力的有效方法,既能智能地处理上述问题,又能确保实现高精度白光或彩色光。对众多从传统照明(白炽灯、荧光灯)设计转向LED照明的设计人员来说,如何用好混合信号控制器已成为一个巨大的挑战。

　　智能照明

　　高亮度LED(HB-LED)代表着照明技术的未来,而且近年来人们对HB-LED技术的关注程度也越来越高。考虑到HB-LED性能(流明ㄍ瓦特)的显著提高与成本(流明ㄍ美元)急剧下降,人们这样做就不足为奇了。此外,目前全球都在踊跃参加“绿色行动”,在此大环境下,HB-LED甚至对目前备受欢迎的高性价比但生态不太友好的含汞荧光灯提出了强有力的挑战。虽然HB-LED的高效率与环保优势是宣传重点,但“智能照明”功能将成为推动HB-LED技术进一步发展的重要力量。

　　智能照明技术的应用范围相当广泛,唯一受限的是我们的想象力。本文将重点讨论智能照明中的一个重要应用领域——调光功能。过去,调光主要是指调节光的明暗,或通过光学器件操控光的散射图案。就HB-LED而言,调光意味着对光的不同特性进行操控。首先,设计人员必须考虑要生成何种类型的光：白光,彩色光,还是兼而有之。如是白光,设计人员可调节色温与显色指数(CRI)。如是彩色光,设计人员可以根据系统中所用的LED彩色通道的数量,混合来自同一固定LED通道组的整个光谱的颜色。通过混合彩色光,还可在同一照明装置上生成白光和彩色光。这种灵活性确实会导致复杂性的增加,并且要在每种系统之间作出权衡。幸运的是,尽管白光系统和彩色光系统看上去截然不同,但实际上它们的设计方法基本上是一样的。

　　HB-LED系统设计

　　每种智能照明系统都包含下列基本构建模块(图1)：HB-LED,某种类型的电源拓扑(本文仅讨论开关模式稳压器)和混合信号控制器。设计人员首先面临的挑战就是选择LED。LED的主要供应商包括Lumileds、Cree、Nichia和Osram等,他们的产品在额定功率和电流、散射图案、色彩、效率、外形尺寸、散热特性、档次(bin)以及每个封装的LED数量方面各有不同。这些参数对白光与彩色光来说都是相同的,但白光还要考虑色温与显色指数CRI。

　　高级工业设计的限制和市场需求通常有助于缩小对大多数LED特征参数的选择范围。多数情况下,设计人员应着重考虑LED的散热特性,对小型化器件或占用空间受限且不能使用大型散热器的应用尤应如此。同样,光学技术有助于减轻散射图案不佳的问题,而混合信号控制器则能大幅减少温度与器件分选的局限。

　　首先应明确到底该选用分立元件还是集成电路,这是缩小适用智能照明系统的电源拓扑类型的第一步。分立式实施方案可调谐到特定的系统,所以其成本更低、更灵活,但占用较大的电路板空间且需要专业的设计技术。电源管理IC提供了一种紧凑的解决方法,虽然成本较高,但占用的电路板空间较小,且更易于设计。

　　其次,根据照明系统对效率的不同要求,设计人员需在线性或开关拓扑之间做出选择。效率的重要性体现在两个方面。首先,功率转换效率越高,功率浪费就越少。第二,减少功率浪费意味着系统产生的热量也更少。线性稳压器比较简单,成本也较低,但通常效率较差。

　　而开关稳压器由于需要电感器因而更复杂,通常也更昂贵,但其效率较高,不管稳压器的输入输出电压如何,均可取得较高的效率。线性稳压器与开关稳压器既可采用单片IC设计,也可采用分立元件设计。根据照明系统的电源电压,设计人员应相应地选择使用降压、升压或升降压开关拓扑。线性拓扑还有一个缺点就是不能升压。

　　再次,设计人员必须为智能照明系统选择一个混合信号控制器。HB-LED系统的大部分智能性与灵活性都是由该器件实现的,它甚至还能解决HB-LED调光带来的某些技术难题。因此,选择具有尽可能高的灵活性与尽可能多的有用外设的混合信号控制器是很重要的。通常情况下,一个8位MCU内核足以为大多数照明应用提供足够的处理能力,以及足够的RAM或闪存。

　　设计人员应特别注意MCU器件上的数字与模拟外设。对于数字外设,专用的硬件调光通道数量及其分辨率和实现不同通信接口的能力都非常重要。调光通道用于驱动降压稳压器,软件计数器虽然也可用来实现这一功能,但软件调光通道会消耗宝贵的处理能力,使器件难以执行其它功能。

　　智能照明系统通常至少采用8位分辨率以取得较高的色彩精度。如果系统质量要求极高,可采用高达16位的分辨率。但对大多数应用而言,8位分辨率就足够实现所需的精度,设计人员通常在低输出电平情况下通过较高分辨率来实现较好的调光线性。一些设计人员则转而采用更智能的插值法来解决低电平情况下的输出变化问题。

　　常见的通信接口包括SPI、UART以及I2C,但同样重要的是混合信号控制器也支持DALI、DMX512、射频通信甚至电力线通信等重要的照明接口。就模拟外设而言,设计人员应注意ADC、PGA及比较器。ADC既可通过读取温度传感器值的方式来支持温度反馈,也可实现照明系统与周边环境的多种物理(模拟)方面的智能互动。比较器和PGA可简化电源拓扑的实施方案。

　　大多数MCU厂商都会在其控制器中部分或全部地提供这些外设,但设计人员可能很快就会发现,随着系统要求的变化,所需的外设品种也会发生相应变化。要想让系统设计做到照顾未来创新技术的前瞻性确实会面临巨大挑战,特别是考虑到HB-LED照明系统本身还是一种新生事物。如果系统需要超高性能,那么FPGA会是一种较好的物超所值的解决方案。具有可配置外设与可路由I/O的控制器可提供最大的灵活性。