白光及彩色光LED智能照明設(shè)計解析

　　高亮度LED為照明產(chǎn)業(yè)帶來了持續(xù)的變革，它為包括白光和彩色光設(shè)計在內(nèi)的各種照明系統(tǒng)增加了更多的靈活性與智能化。這些照明系統(tǒng)使設(shè)計人員既能動態(tài)控制色溫，又能在白光應(yīng)用中保持高的顯色指數(shù)(CRI)。此外，這些系統(tǒng)還能產(chǎn)生寬范圍的高精度彩色光譜。盡管白光與彩色光看上去差別很大，但大多數(shù)LED智能照明應(yīng)用都是采用混合信號控制器、恒流驅(qū)動器和高亮度LED這些基本組件進(jìn)行設(shè)計生產(chǎn)。白光與彩色光設(shè)計中通常使用多個LED通道，因此所有LED設(shè)計方案都需解決器件分選、溫度效應(yīng)、老化及整體色彩精度等問題。采用混合信號控制器不愧為一種強有力的有效方法，既能智能地處理上述問題，又能確保實現(xiàn)高精度白光或彩色光。對眾多從傳統(tǒng)照明(白熾燈、熒光燈)設(shè)計轉(zhuǎn)向LED照明的設(shè)計人員來說，如何用好混合信號控制器已成為一個巨大的挑戰(zhàn)。

　　本文將探討白光應(yīng)用與彩色光應(yīng)用設(shè)計之間的相同點與不同點、LED系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)以及有助于設(shè)計人員解決上述問題的功能強大的一些現(xiàn)成解決方案(有些甚至無需編碼)。

　　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(圖1)：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。

圖1：智能照明系統(tǒng)框圖　　　

　　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)?。線性拓?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?！　　?/P>

　　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?！　　?/P>

　　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?/P>

　　大多數(shù)MCU廠商都會在其控制器中部分或全部地提供這些外設(shè)，但設(shè)計人員可能很快就會發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)要求的變化，所需的外設(shè)品種也會發(fā)生相應(yīng)變化。要想讓系統(tǒng)設(shè)計做到照顧未來創(chuàng)新技術(shù)的前瞻性確實會面臨巨大挑戰(zhàn)，特別是考慮到HB-LED照明系統(tǒng)本身還是一種新生事物。如果系統(tǒng)需要超高性能，那么FPGA會是一種較好的物超所值的解決方案。具有可配置外設(shè)與可路由I/O的控制器可提供最大的靈活性。

　　實現(xiàn)高質(zhì)量的白光

　　雖然每種智能白光和彩色光系統(tǒng)都帶有上述組件，但是，基于白光和彩色光的系統(tǒng)在配置與設(shè)計方面有所不同。生成白光的照明系統(tǒng)(即便其混有彩色光)需要考慮色溫與顯色指數(shù)。　　

　　色溫就是指白光的顏色(與直覺不同，暖白光的色溫較低，而冷白光的色溫較高)，它通常與1931 CIE比色圖表上的普朗克軌跡相關(guān)。色溫描述的是標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源被加熱到不同溫度時所產(chǎn)生的白光顏色(圖2)。例如，加熱到2500K的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源被認(rèn)為是較暖的白光；如果加熱到7000K就認(rèn)為是冷白光。HB-LED系統(tǒng)實際上不能直接實現(xiàn)符合普朗克軌跡的顏色，相反其色溫是通過相關(guān)色溫(CCT)測量的。

圖2：普朗克軌跡與色溫　　　

　　顯色指數(shù)是通過比較主光源與參考光源之間不同色彩的呈現(xiàn)來描述白光質(zhì)量的一個參數(shù)。通俗地講，顯色指數(shù)描述的是主光源以相對參考光源1到100倍的強度照射的物