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基于微控制器技术&架构是支持智能LED平台新途径

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  • 更新日期:2014-02-19 21:18
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详细介绍
本文对基于微控制器的技术架构支持智能 LED 平台的理念、架构与应用及优势作分析研讨,并以C2000™ Piccolo 微控制器的架构为例,对在智能 LED 平台的应用作说明。1 新的挑战
随着照明行业持续向LED技术转型,对高智能控制器与驱动器的需求也日渐提升。加之,电力价格的上扬也为消费者及企业带来高额的运营成本。实践证明,只有使LED处于高效工作状态才能显著降低成本。这是因为许多应用在运行高级控制功能状态时需要产生高度一致的光质,例如调光、平衡以及精确色彩混合等状态。此外,远程连接在各种应用需求上也日益俱增,并在现场维护处理时要求具有自我诊断之功能以降低高昂的维护费用。
面对这些新的挑战,若将智能功能引入大量的LED照明应用之中,则需要将功能既定的LED驱动器转换为微控制器的架构或可编程架构,这样才能成为有效的应对。使用微控制器可实现大量的智能特性,比如本机调光控制、专用色彩混合、自适应照明控制以及远程连接等,并且又达到需要高级功能应用之目的。专用电源电子微控制器除提供照明控制与通信功能之外,还可实现高效照明设备的低成本,从而可进一步改善照明应用。和众多现代电子产品的趋势一样,使用数字控制可提高照明产品的灵活性,并为其带来更高级别的智能性与差异化服务。
2 基于微控制器的架构是支持智能LED平台新途径
最简单的 LED 照明系统使用一个LED驱动器。这些一般为固定功能的器件,可为控制LED提供简单直接的低成本方法。它们通常具有良好的电源效率,并且无需软件编程。开发人员在选择驱动器或测定板级组件的配置值时,最多只需进行几次计算。虽然使用方法简单直接,但许多 LED驱动器缺乏支持更高级系统的灵活性。要支持各种类型的LED(比如更高功率或不同色彩)或不同的LED串配置,可能需要不同的解决方案。实际上,系统的任何变化(比如串中的LED数或串数)都可能导致驱动器的更换。因此,许多制造厂商提供的大多数照明产品将很有可能需要独特的模拟驱动器。对于庞大的产品组合或系列而言,这会增加制造厂商或其他供应商必须仓储的存货项目数量,从而可能会导致经济规模缩减,设备成本上升
LED驱动器面临新的挑战
照明行业的持续发展,使LED驱动器 技术得到了充分发挥,并为其创造出诸多优势提供了条件。但是,对于不同类型的LED照明应用则需要在支持的功能上也有显著的差异。如:在住宅领城,其应用包括灯泡更换、局部照明以及小型户外照明,一般只需点亮少量LED,通常1到2串,迫于该市场的低成本压力,高级控制功能并不广泛;在商业领城,其应用包括日光灯镇流器、灯泡更换以及局部照明,通常只需要1到2串的少量LED。该市场很关注成本,但也非常注重能源问题,因此高端应用在该市场将需要远程连接以及一些智能化的控制器;在娱乐领城,其应用包括高端显示及意境照明,而全面的亮度控制与一致的色彩质量非常重要,因为需要远程连接以及支持照明通信协议DMX512和DALI等行业标准协议,例基于DMX512协议的智能照明调光系统;在户外与基础设施领城,其应用包括街道照明、工厂照明以及大型办公楼照明等,设备一般有大量的LED,而且必须灯串的支持,高亮度LED也很常见,这些应用需要远程连接以及高级别的控制器智能性。
智能控制器的开发是有效的应对
智能控制器可为开发人员带来创建更多高灵活性照明系统的潜力。在基于微控制器的系统中,可配置代码来支持不同类型的LED、独特的功率级需求、不同的串长以及不同的串数并无需大幅调整硬件。这种系统甚至可设计为自动检测需要驱动的LED。微控制器系统的可编程属性甚至可以支持高级调光及调度功能,以及实现更高级的照明场景控制与自动照明。数字控制的高灵活性可帮助制造厂商设计出能够驱动大量终端产品的统一驱动器。由于控制器IP可重复使用,因而设计投入也可大幅削减。高灵活性的驱动器不但可降低需要库存的器件存货数量,而且还可通过扩大经济规模来降低整体系统成本。
3 通过数字控制实现集成的技术构方案
智能LED照明系统的基本架构
智能LED照明系统的基本架构包括电源转换、LED控制以及通信三大环节(见图 1所示)。其电源转换环节可为LED提供校正的电压及电流。首先是AC/DC整流,然后进行功率因数校正环节(PFC),接着是一个或多个并行DC/DC转换环节。要实现高效率电源转换,需要对这些转换环节进行精确而灵活的控制。
从图1的智能LED照明系统的基本架构中,其每个环节都需要智能控制器来保持其高效率与高功能性。通过采用高度灵活的电源数字方法,可将多个或全部这些控制器整合在单个微控制器上,从而降低系统复杂性与成本。每个主要环节都需要智能控制器来保持其高效率与高功能性。若采用固定功能模拟方法,可能需要独立的PFC、DC/DC、LED以及通信控制器。然而,采用专用电源电子控制器,还可通过高集成度降低照明设备的电源组件成本。单个控制器具有充足的性能、电源优化外设以及通信端口,并可控制照明系统的电源环节、LED照明控制以及通信的三大环节。从而在这类集成水平上,照明系统可去除大量多余的组件,并帮助中心编程平台顺畅地控制智能照明系统的所有三大环节。
电源数字控制技术特征
电源的数字控制还能够为动态系统实现更高的转换效率。虽然与传统照明光源相比,LED能够显著提高效率,降低工作与能源成本,但不是所有基于LED的系统在这方面都是一致的。数字电源控制可在以任何方式调光、改变色彩输出或调整输出光源的时候,为LED照明系统的电源环节实现更高的效率。与此类似,在固定照明条件下,微控制器还可通过实现更高级的功率级设计,提高工作效率。这种效率提升对终端客户具有极大的吸引力,当两个LED在其他方面旗鼓相当时,这一点他们之间的重要的分水岭。
试想某城市计划更换2,000盏街灯,对两种效率相差10%的型号进行比较(见图2)。需要的是效率较高系统的输入功率是178W(图2绿色所示),而效率较低的系统则需要输入200W(图 2兰色所示)才能产生相同的160W(图2黃色所示)出入光源。单凭电源功率效率对本示例而言,大概可节省10%的额外能源,即每年可节省33,726美元的能源成本。并且值得注意的是这些节省还在LED系统本身带来的节省之外。
从图2看出,与基于模拟的系统相比,在使用LED技术本身带来的节省之外,数字电源控制还可实现更高的转换效率。在本例中,仅凭电源效率,10%的效率差异每年就可节省大约10%的额外能源成本,也就是33,726美元。这就是基于数字控制的LED电源系统与基于模拟LED电源系统技术特征的显著区别。
4 基于微控制器智能LED平台的优势
应该说,基于微控制器智能LED平台的优势集中反映在:其一、质量、效率与成本等三方面;其二、通过远程连接以实现提高效率之目的。[page]
4.1 具有质量、效率与成本三方面的优势
LED光质量的提升
对包括商用显示屏与娱乐照明在内的众多应用而言,所产生的光的质量非常重要。质量在本示例中是主要指能够输出一致的亮度和色彩。但是影响LED性能的三大因素则是制造差异、温度与老化。LED输出在不同批次间有显著变化。单个设备质量的一致性可通过使用相同批次的LED得到维护。但相同产品线中使用不同批次LED的设备可能会因制造差异而造成光源质量的不同。当2个这样的设备互相靠近安装时,可能会产生显而易见而又无法接受的光源质量差异。则系统可使用智能控制器进行校准,补偿所有偏差。由于这是在软件中完成的,在要求产品间的一致性时,校准流程可在制造过程中优化。
随着环境温度的变化,LED的输出也会改变。要对此进行补偿,系统需要使用传感器感测环境温度。微控制器需要能够读取传感器,并相应地调整LED驱动器,从而动态校正色彩与亮度。由于温度只需定期检查,因此该功能开销较低。此外,它还可帮助系统监控其自身的安全工作。如果LED的温度超过特定阈值,照明控制器可降低亮度或关闭灯串,同时将该问题远程通知给操作人员。高热会使LED提前老化,降低其输出光源的能力。因此确保LED不超过特定温度,可延长LED使用寿命。
光照质量也会随LED老化受到影响,导致色彩特性差异。例如,红色LED的老化速度比蓝色LED快,特定功率输出或脉宽调制(PWM)频率产生的色彩会随时间变化而变化。智能控制器可对老化进行计算,校正色彩特性,从而在整个LED系统使用寿命中保持一致的照明。此外,管理光源质量的技术还可同时改善安全性与效率。例如可通过光照来与环境光协调。在有暴风雨的天气下,街灯可部分设置为提前点亮。同样,如果环境光照强度大,可将光照强度调低,节省电源。
安全性与效率的提高
随着各种传感器和远程连接功能的出现,安全性与效率可得到进一步的提高。例如,交通灯或特定街灯的传感器可用于监测深夜交通状况。如果交通变得异常繁忙,可网络点亮比正常条件下数量更多的灯。智能LED控制器不仅仅只能提供更高的光质量,并且能够提供诸如调光或色彩混合等附加功能。通过考虑灯的使用方式,单个灯具可在不需要全亮度的时候关闭或调暗。例如,在仓库中工作人员可能零星地使用不同区域。使用占用传感器,就可只照明目前正在使用的场所。如果场地在任何时候都只使用 50%,其余照明灯可以关闭从而节省 了50%的能源。在深夜的时候,由于交通流量降低,许多街灯可不用在全亮度下亮着。如果将动作传感器与通信网络搭配使用,可以动态开关街灯,满足实际交通需求。如果街灯可关闭25%的时间,就可节省25%的能源。
单个灯具可通过考虑灯的使用方式,在不需要全亮度的时侯关闭或调暗。例如,使用占用传感器,可以只在当前需要的时候点亮其照明灯。如果街灯关闭25%的时间,就可节省25%的能源。当电源效率提升带来的节能与本应用的智能工作带来的节能加起来时,系统每年的总体工作节能将非常可观,约33%。
4.2 通过远程连接以实现提高效率之目的
远程连接是智能照明系统中的关键功能。智能设备可自动管理其运行的部分环节,以提高工作效率和光照质量。但是,如果设备不能与中央控制器通信,这种智能功能就必须预先编程,而且只能最大化单件设备的效率。设备的运行可通过与照明系统中的各个组件联网,从而在整个设施中进行协调。这样可以实现全新的功能,包括远程调光、远程关闭以及应急控制等。例如,操作人员可从中央位置调节整个设施灯光照明的亮度,不必一盏一盏地调节。
为实现最大功能,每个组件都不仅能够接收信息,还能够将信息发回给操作人员。这样照明设备就可执行简单的自我诊断功能来发现问题,比如是否有LED烧毁或是否工作在最低质量阈值下,并提醒操作人员启动任何必要的维护措施。设备可从远程检查,不必按照定期维护安排派出技术人员来确保设备正常运行。只有在出现确实需要维护的问题时,才派出技术人员,这与LED使用寿命延长相结合,不但可节省大量的维护成本,而且还可及时发现故障,提高运行安全性。此外,远程控制还可实现如显著影响工作效率与成本的其它高级功能。远程控制不但可实现灯光的动态控制,而且还可让多个照明设施联网至与实际设施可能相距很远的统一控制点。例如,街灯可能需要根据白天时长进行调整,节省照明时间。不必派技术人员去每个控制箱,可以远程修改系统中全部街灯的照明时间安排。此外,这还可帮助操作人员将计划外的变化轻松纳入日程,比如需要在深夜结束的运动赛事后提供道路照明,或是在旺季让工厂中的灯长亮。远程控制还支持在紧急情况下直接控制灯光,可用于提高安全性。
智能照明对商业及工业设施更加有利的特性之一是能够准确地跟踪用电。例如市政惯例上为街灯照明支付固定的电费。实际消耗的电力可使用智能照明控制器测量,并发送至中心位置,确保市政不会为多于实际使用的电力支付电费,从而可大幅节省工作成本。
实际使用的数据日志可帮助操作人员改进关于工作成本、维护资源与未来投资的规划。此外,它还可运行更加高级的预测诊断功能。例如,如果能耗增加或者需要更换的灯泡数量动态变化,这可提醒操作人员注意潜在的问题,尽快予以解决,避免导致工作成本和维护成本上升。
关于电力线通信 (PLC) 技术
电力线通信(PLC)是照明应用中的一项重要技术。PLC不必使用独立的线缆作为通信链路,工程师能够通过用来为设备供电的相同线路对设备进行联网。对于不需要全面PLC特性集的应用,开发人员可实施PLC-Lite。PLC-Lite是PLC的一种高灵活替代技术,可通过其简洁性、更低的协议开销以及更低的数据速率,能够显著降低在G3或PRIME等比PLC更复杂变体的每链路实施中成本。由于它不是一项固定标准,因此开发人员可利用PLC-Lite的高灵活性,根据具体的通道特性来优化具体的实施,从而可在线路干扰需要特别处理的环境中提高链路可靠性。PLC-Lite非常适合需要低成本及高稳健通信通道的应用,如家庭网络中简单的灯泡或者墙壁开关等。开发人员还可使用射频(RF)技术无线连接设备。设备可通过模块化架构,使用任何一款最能满足客户需求的连接技术。无论链路采用的是PLC,还是WiFi,数据都可通过标准I2C或SPI端口传输给微控制器。
5 新型微控制器的LED应用方案与特点
TI C2000™ Piccolo微控制器平台可为各种照明应用(见图 3)提供理想的高性能架构。
C2000™ Piccolo微控制器适用于数字电源控制,能够灵活地支持各种电源拓扑。它拥有行业领先的PWM系列支持高分辨率占空比控制以及高分辨率死区功能,可实现对功率级进行更高效率及更高性能的控制。同样,高级PWM可扩大照明控制优势,带来更加精确的色彩输出与调光水平。此外,Piccolo微控制器还支持多达16组的PWM输出,可独立控制多达16个独立LED串。支持高速采样的12位高分辨率模数转换器(ADC)可对PWM形成互补,其转换速度高达每秒4.6百万样片。PWM与ADC模块相结合,可帮助工程师创建一个紧密的反馈环路,迅速响应系统及环境运行情况的变化。内建的故障保护机制可确保系统能够处理过流和过压情况。PWM故障触发区可在系统出现异常状态时,帮助系统绕过CPU,在系统损坏之前采用预编程状态迅速覆盖PWM信号。
为降低系统成本,开发人员还需要微控制器提供足够的处理功能,从而实现基于统一微控制器的实施功率级、LED控制、传感器输入以及远程连接。这种水平的集成可为照明设计显著降低成本。 随着Piccolo的推出,TI可提供一款可支持从入门级器件到具有PLC功能的复杂多串系统等所有功能的微控制平台。32位TMS320C28x™内核可在微控制器器件中提供能够处理功率级计算、LED串控制以及诸如DMX512等任何照明协议的数字信号处理(DSP)性能。Piccolo微控制器支持优化的数学运算、可实时控制的中断驱动架构以及随时响应事件变化的可编程灵活性,因此是照明应用的理想选择。
Piccolo提供众多的器件,可支持从入门级到高度智能化的不同照明系统。例如,低成本系统可使用Piccolo F2802x微控制器所提供足够的性能来降低系统组件数量,充分发挥实时数字电源技术的优势,实施支持DALI、DMX512或者KNX等通信的自我适应照明技术。
需要注意的是,集成所有系统控制器的单芯片设计一般都比需要多个微控制器的设计成本更低。然而在一些照明系统中,高低电压的同时存在通常需要使用隔离边界,PFC与DC/DC转换位于边界的不同侧(见图 3)。由于难以跨越隔离边界,因此单控制器架构的设计难以实现。在这种情况下,使用两个微控制器通过I2C或者SPI接口跨隔离边界进行通信可能会更加简便。如果设计是非隔离的,相比之下在相同的控制器上实施PFC与DC/DC转换功能更加简单直接。
图3架构可提供的各种开发软硬件,可帮助工程师评估和设计从低电压辅助供电系统到支持远程连接功能的高电压全AC主供电系统的各种LED照明应用。例如,TMS320C2000 AC LED照明与通信开发套件 (TMDSIACLEDCOMKIT)可为加速AC主供电智能照明产品设计进程提供一款完整的平台,为其实现高工作效率(大约90%),并为全远程连接功能以及DALI、DMX512、KNX和PLC等照明通信协议提供全面支持。
 
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