構建自我監(jiān)測的智能化LED燈具

發(fā)光二極管一直以來都被當作低成本的指示燈用在各種電子產品上。目前，它們已經成為強大的光源，可用于室內照明、標識牌、顯示屏和裝飾照明應用。與白熾燈和熒光燈相比，由于產生相同亮度所消耗的能量要小得多，LED的地位正在日益攀升。能源是本世紀最為熱門的話題之一，而且會很快成為世界各地設計人員需要考慮的最重要問題之一。

對燈具制造商而言，使用LED具有諸多優(yōu)勢。不過，試圖盡早趕上LED浪潮的廠商數量也不少，因此產品的差異化非常重要。另外，當能耗和人力成本成為設計需要考慮的主要問題時，大型照明設備也幾乎需要“智能化”。讓燈具具備與“母”控制器通信、監(jiān)測自身狀況、根據監(jiān)測結果調整工作模式、在失效后能夠進入安全狀態(tài)的能力等都是對新一代LED燈具的期望。本文將探討部分適合于LED燈具的“智能化”選擇及其實現步驟。

輸入低電壓閉鎖

LED驅動系統的輸入電壓一般是直流電壓。電源由離線的AC-DC轉換器或者總線提供。除了為LED驅動器供電，電源還用于為系統中的控制器供電(需先轉換為適合控制器使用的5V或者3.3V電壓)?？刂破麟娫匆话阍O計為當輸入電壓略高于要求的輸出電壓時，就開始工作。比如，5V的調節(jié)器會在輸入電壓達到6-7V時就開始工作。不過，這個電源的穩(wěn)態(tài)可以是為由5-6個LED構成的LED串、每串電流為1A供電的24V電源。一旦控制器加電，控制器就會假定電源可用并開啟LED驅動系統(假設其配置如此)，隨后LED驅動系統將試圖進入正常工作狀態(tài)。如果此時輸入的電壓只有10V，要求電源提供的電流將遠遠大于穩(wěn)態(tài)下的電流，系統將由于這種瞬發(fā)的電流突增而崩潰。這種超額電流需求也會超出線纜、連接器和輸入電源其他組件的額定承受能力，可能導致系統永久損壞。

為了避免發(fā)生這種情況，系統應具有“低壓閉鎖”功能。采用的硬件是電阻分壓器，可以逐步把輸入電壓降低到控制器的輸入可以承受的范圍。輸入在內部與比較器相連?？刂破?固件)的動作應該設計為只有輸入電壓超過正常工作的閾值時，電源部分才會啟用。另外，并非比較器一開啟，電壓系統就馬上啟動。固件應對比較器的輸出進行輪詢，檢查這種狀態(tài)是否一致(因為比較器是組合邏輯電路的組成部分)，然后再啟動電源系統。圖2是實現該功能的硬件原理圖(簡圖)。

負載(LED)監(jiān)測

這里的負載具有經過LED且受調整的恒定電流。雖然電流調整系統已經在監(jiān)測負載，這里的目的是確保有合適的負載電流流過。LED易于損壞，特別是在開路或者短路發(fā)生的時候。導致這些類型故障的原因包括線纜松動、連接器松動、PCB組裝問題，等等。通道出現短路會導致MOSFET損壞(起開關作用)。鑒于這些系統的功率，在出現故障的情況下，會導致大電流的出現，并釋放大量熱量。為了保護系統及其周邊免受故障的不良影響，控制器應具備實時監(jiān)控負載狀況的能力。

我們不妨考慮開路情況，其中供電流流經的路徑不存在。如果讓電流調整系統自行處理，它會讓開關(MOSFET)一直開著，以試圖讓電流流往指定的地方。但這樣不會解決問題。類似的，在出現電流不受控制地突增的短路情況下。反饋系統會試圖關閉開關，但如果MOSFET已經損壞，它不會對這些控制信號做出響應，問題同樣無法解決。

智能化的LED燈具應該能夠檢測這些狀況，并將系統置于可以安全避免故障導致不良后果的狀況。實現這種目標的其中一種方法是強制熔斷保險絲，從而切斷整個系統的電源。另一種方式是向“母”控制器發(fā)出某種信號，或者停止向“母”控制器發(fā)出某種信號，以指示故障狀況。為此，系統必須能夠首先監(jiān)測負載電流或者電壓值。為測量電流，在LED線路中引入了一個電流感應電阻，并將其兩端的電壓(在放大后)輸入ADC。ADC的數字輸出受處理器監(jiān)控，并根據測得的電流值采取相應的行動。例如，如果通過LED的電流為500mA，但ADC只測得10mA，就可以視為出現故障。控制器隨即向“母”控制器發(fā)出信號，啟動“熔斷保險絲”電路，強行熔斷保險絲。

在諸如升壓電路這樣的電路中，存在著一個大容量電容器，故持續(xù)監(jiān)控負載的電壓非常重要。在升壓系統正常工作的條件下，大容量電容器在開關斷開的周期內充電，在開關閉合的周期內放電。如果負載出現開路，電容不會放電但充電仍在繼續(xù)。如果置之不理，電容兩端的電壓會迅速升至很高，可能導致MOSFET這樣的零件損壞。如果在連接松弛的情況下突然閉合電路，過充電的電容會在短時內造成過大電流通過負載，這樣可能永久地損壞LED。

在大容量電容兩端接上電阻分壓網絡，可以把輸出電壓降至微控制器可以處理的范圍。信號隨之輸入到比較器，比較器的輸出連接到可將其關閉的電流調節(jié)系統。當電壓超過預設的限值，比較器就會打開開關，關閉系統。

環(huán)境條件監(jiān)測

LED燈具會放置在各種環(huán)境中工作。在辦公室環(huán)境中，如果燈具能夠檢測到人進出房間，在人離開房間后關閉或者降低亮度，對節(jié)能頗有好處。這可以節(jié)省電力，進而節(jié)省公司的電費。此外還可以有效利用LED，延長其使用壽命。

可以在系統內結合簡單的環(huán)境光照傳感器(光電二極管或者晶體管)來完成這項功能。這種傳感器的輸出一般是電流(大小取決于獲得的光照強度)，該電流可以用電阻轉換為電壓信號。電壓信號隨即通過其引腳提供給控制器，然后使用ADC轉換為數字信號?？刂破鞲鶕撝祦泶_定合適的動作(降低亮度、關閉或者開啟)。

LED自身也會發(fā)熱，但與白熾燈所不同的是LED發(fā)出的熱量隨其終端傳遞，而白熾燈的熱傳遞方向與光照方向一致。另外，LED燈一般安裝在緊湊的空間內，散熱條件惡劣。如果出現非正常的溫度陡增，可能會引發(fā)各種后果，如零部件和LED的壽命下降乃至永久損壞，在極端的情況下甚至可能引發(fā)火災。