彩光有別于白光智能照明系統(tǒng)的解決方案
智能照明
高亮度LED(HB-LED)代表著照明技術(shù)的未來,而且近年來人們對HB-LED技術(shù)的關(guān)注程度也越來越高??紤]到HB-LED性能(流明∕瓦特)的顯著提高與成本(流明∕美元)急劇下降,人們這樣做就不足為奇了。此外,目前全球都在踴躍參加“綠色行動”,在此大環(huán)境下,HB-LED甚至對目前備受歡迎的高性價比但生態(tài)不太友好的含汞熒光燈提出了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。雖然HB-LED的高效率與環(huán)保優(yōu)勢是宣傳重點,但“智能照明”功能將成為推動HB-LED技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要力量。
智能照明技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛,唯一受限的是我們的想象力。本文將重點討論智能照明中的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域——調(diào)光功能。過去,調(diào)光主要是指調(diào)節(jié)光的明暗,或通過光學(xué)器件操控光的散射圖案。就HB-LED而言,調(diào)光意味著對光的不同特性進(jìn)行操控。首先,設(shè)計人員必須考慮要生成何種類型的光:白光,彩色光,還是兼而有之。如是白光,設(shè)計人員可調(diào)節(jié)色溫與顯色指數(shù)(CRI)。如是彩色光,設(shè)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)中所用的LED彩色通道的數(shù)量,混合來自同一固定LED通道組的整個光譜的顏色。通過混合彩色光,還可在同一照明裝置上生成白光和彩色光。這種靈活性確實會導(dǎo)致復(fù)雜性的增加,并且要在每種系統(tǒng)之間作出權(quán)衡。幸運的是,盡管白光系統(tǒng)和彩色光系統(tǒng)看上去截然不同,但實際上它們的設(shè)計方法基本上是一樣的。
HB-LED系統(tǒng)設(shè)計
每種智能照明系統(tǒng)都包含下列基本構(gòu)建模塊:HB-LED,某種類型的電源拓?fù)?本文僅討論開關(guān)模式穩(wěn)壓器)和混合信號控制器。設(shè)計人員首先面臨的挑戰(zhàn)就是選擇LED。LED的主要供應(yīng)商包括Lumileds、Cree、Nichia和Osram等,他們的產(chǎn)品在額定功率和電流、散射圖案、色彩、效率、外形尺寸、散熱特性、檔次(bin)以及每個封裝的LED數(shù)量方面各有不同。這些參數(shù)對白光與彩色光來說都是相同的,但白光還要考慮色溫與顯色指數(shù)CRI。
高級工業(yè)設(shè)計的限制和市場需求通常有助于縮小對大多數(shù)LED特征參數(shù)的選擇范圍。多數(shù)情況下,設(shè)計人員應(yīng)著重考慮LED的散熱特性,對小型化器件或占用空間受限且不能使用大型散熱器的應(yīng)用尤應(yīng)如此。同樣,光學(xué)技術(shù)有助于減輕散射圖案不佳的問題,而混合信號控制器則能大幅減少溫度與器件分選的局限。
首先應(yīng)明確到底該選用分立元件還是集成電路,這是縮小適用智能照明系統(tǒng)的電源拓?fù)漕愋偷牡谝徊?。分立式實施方案可調(diào)諧到特定的系統(tǒng),所以其成本更低、更靈活,但占用較大的電路板空間且需要專業(yè)的設(shè)計技術(shù)。電源管理IC提供了一種緊湊的解決方法,雖然成本較高,但占用的電路板空間較小,且更易于設(shè)計。
其次,根據(jù)照明系統(tǒng)對效率的不同要求,設(shè)計人員需在線性或開關(guān)拓?fù)渲g做出選擇。效率的重要性體現(xiàn)在兩個方面。首先,功率轉(zhuǎn)換效率越高,功率浪費就越少。第二,減少功率浪費意味著系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量也更少。線性穩(wěn)壓器比較簡單,成本也較低,但通常效率較差。
而開關(guān)穩(wěn)壓器由于需要電感器因而更復(fù)雜,通常也更昂貴,但其效率較高,不管穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓如何,均可取得較高的效率。線性穩(wěn)壓器與開關(guān)穩(wěn)壓器既可采用單片IC設(shè)計,也可采用分立元件設(shè)計。根據(jù)照明系統(tǒng)的電源電壓,設(shè)計人員應(yīng)相應(yīng)地選擇使用降壓、升壓或升降壓開關(guān)拓?fù)洹>€性拓?fù)溥€有一個缺點就是不能升壓。
再次,設(shè)計人員必須為智能照明系統(tǒng)選擇一個混合信號控制器。HB-LED系統(tǒng)的大部分智能性與靈活性都是由該器件實現(xiàn)的,它甚至還能解決HB-LED調(diào)光帶來的某些技術(shù)難題。因此,選擇具有盡可能高的靈活性與盡可能多的有用外設(shè)的混合信號控制器是很重要的。通常情況下,一個8位MCU內(nèi)核足以為大多數(shù)照明應(yīng)用提供足夠的處理能力,以及足夠的RAM或閃存。
設(shè)計人員應(yīng)特別注意MCU器件上的數(shù)字與模擬外設(shè)。對于數(shù)字外設(shè),專用的硬件調(diào)光通道數(shù)量及其分辨率和實現(xiàn)不同通信接口的能力都非常重要。調(diào)光通道用于驅(qū)動降壓穩(wěn)壓器,軟件計數(shù)器雖然也可用來實現(xiàn)這一功能,但軟件調(diào)光通道會消耗寶貴的處理能力,使器件難以執(zhí)行其它功能。
智能照明系統(tǒng)通常至少采用8位分辨率以取得較高的色彩精度。如果系統(tǒng)質(zhì)量要求極高,可采用高達(dá)16位的分辨率。但對大多數(shù)應(yīng)用而言,8位分辨率就足夠?qū)崿F(xiàn)所需的精度,設(shè)計人員通常在低輸出電平情況下通過較高分辨率來實現(xiàn)較好的調(diào)光線性。一些設(shè)計人員則轉(zhuǎn)而采用更智能的插值法來解決低電平情況下的輸出變化問題。
常見的通信接口包括SPI、UART以及I2C,但同樣重要的是混合信號控制器也支持DALI、DMX512、射頻通信甚至電力線通信等重要的照明接口。就模擬外設(shè)而言,設(shè)計人員應(yīng)注意ADC、PGA及比較器。ADC既可通過讀取溫度傳感器值的方式來支持溫度反饋,也可實現(xiàn)照明系統(tǒng)與周邊環(huán)境的多種物理(模擬)方面的智能互動。比較器和PGA可簡化電源拓?fù)涞膶嵤┓桨浮?
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