探索利用MCU增加LED照明系統(tǒng)的智能程度的方法 - 全文

　　將智慧功能加入發(fā)光二極體（LED）照明應用須要將固定功能LED驅動器改換成微控制器（MCU）或可程式架構（Programmable Architecture）。對于需要進階功能的應用而言，使用MCU可達到許多智慧功能，例如塬生調光控制（Native Dimming Control）、專業(yè)混色（Specialized Color Mixing）、適應式照明控制（Adaptive Lighting Control）及遠端連結（Remote Connectivity）。

　　對于照明應用而言，電力電子（Power Electronics）產(chǎn)品專用的MCU甚至能有效控制燈具電源供應，使其符合成本效益，并進行照明控制及通訊。如同許多現(xiàn)代電子產(chǎn)品的趨勢，改用數(shù)位控制開啟了更多彈性空間，且為照明產(chǎn)品帶來新水準的智慧功能及差異性。

　　專用MCU滿足LED應用市場

　　照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)過快速演進，現(xiàn)今LED技術展現(xiàn)許多效益。然而，不同類型的LED照明應用，因所支援的功能不同，亦有極大的差異。其中，住宅方面的應用包括燈泡更換、重點照明（Accent Lighting）與小範圍室外照明，一般而言只須點亮一或兩個LED燈串，但此一市場具有成本壓力，因此進階控制尚不普遍。至于商業(yè)應用方面，包括螢光燈安定器（Fluorescent Ballast）、燈泡更換及重點照明，亦只須點亮一至兩個LED燈串，同樣受限于成本考量，此一市場具有高度節(jié)能意識；而高階應用則須要遠端連結與智能控制器功能。

　　此外，娛樂應用方面，則包括高階顯示器及情境照明（Mood Lighting）。完整強度控制與一致的色彩品質相當重要，對于數(shù)位尋址照明介面（DALI）或DMX-512之類的業(yè)界標準通訊協(xié)定，遠端連結與支援也相當重要。室外及基礎建設則包括街道照明、工廠與辦公大樓照明等應用，此一市場的設備一般有為數(shù)眾多的LED，并須支援許多燈串，其中，高亮度LED也相當常見，而這些應用則相當須要遠端連結與高度智慧控制器。

　　降低系統(tǒng)建置成本　MCU實現(xiàn)高彈性LED照明

　　最簡單的LED照明系統(tǒng)使用LED驅動器。這些固定功能裝置可直接控制LED，且成本相當?shù)?。一般而言，這些裝置可達到良好的能源效率，且不須要軟體程式設定。在最壞的情況下，開發(fā)人員須進行多次計算，選擇所需的驅動器，或決定電路板元件的配置值。

　　雖然LED驅動器可直接使用，不過對于較進階的系統(tǒng)而言則顯得彈性不足。若要支援不同類型的LED（如高瓦數(shù)或不同色彩），或不同的LED燈串配置，則可能須使用不同的解決方案。事實上，系統(tǒng)的任何改變（如燈串的LED數(shù)和燈串數(shù)）都可能使驅動器也須隨之變更。因此，塬始設備製造商（OEM）供應的大多數(shù)照明產(chǎn)品都可能需要獨特的類比驅動器。對于大型系列產(chǎn)品而言，這會增加OEM或供應商的庫存品項數(shù)，而可能造成經(jīng)濟規(guī)模降低或設備成本提高。

　　另一方面，智能控制器能讓開發(fā)人員建立更具彈性的照明系統(tǒng)。在MCU系統(tǒng)中，可設定程式碼支援各種LED、獨特的功率級需求、不同的燈串長度以及不同數(shù)量的燈串，而不須大幅變更硬體。系統(tǒng)也可另做設計，以自動偵測須要驅動哪些LED。MCU系統(tǒng)的可編程特性也可達到進階調光及定序功能，提供更進階的照明場景控制和自動化照明亮度。

　　彈性的數(shù)字化控制可使OEM能設計可控制多種產(chǎn)品的單一控制器。由于控制器IP可重復使用，因此也可大幅減少設計投資；彈性的控制器亦可減少庫存的裝置數(shù)目，同時透過更大的規(guī)模經(jīng)濟降低整體系統(tǒng)成本。

　　實現(xiàn)智能LED照明　數(shù)字控制整合功不可沒

　　智能LED照明系統(tǒng)的基本架構包含叁個主要階段，即電源轉換（Power Conversion）、LED控制及通訊（圖1）。電源轉換階段會將正確的電壓及電流傳送到LED。首先進行交流對直流（AC-DC）整流，再進行功率因數(shù)修正（PFC）階段，最后進行一次或多次平行直流對直流（DC-DC）轉換階段。若要提供有效的電源轉換，則須要精準、靈活地控制這些轉換階段。

　　圖1 智能LED照明系統(tǒng)包含電源轉換、LED 控制及通訊叁個主要階段

　　各個主要階段皆需智能控制器維持效率及功能。使用固定功能的類比做法時，可能需要個別的PFC、DC-DC、LED及通訊控制器。然而，使用專用的電源電子產(chǎn)品MCU時，可透過高度整合降低燈具電源供應的元件成本。在效能、電源優(yōu)化的周邊及通訊連接埠充足的情況下，單一MCU可控制照明系統(tǒng)功率級、LED照明控制及通訊等叁大主要部分的潛力。透過MCU的數(shù)位整合功能，照明系統(tǒng)能減少許多不必要的元件，同時運用中央可程式平臺協(xié)調控制智能照明系統(tǒng)的叁個主要階段。

　　數(shù)位電源控制也能夠提升動態(tài)系統(tǒng)的轉換效率。雖然LED的效率高于傳統(tǒng)的照明設備，運作及能源成本相對降低，但并非所有LED系統(tǒng)都完全相同。以任何方式進行調光、變換色彩輸出或調整亮度輸出時，數(shù)位電源控制能使LED照明系統(tǒng)的功率級達到更高的效率。同樣在固定照明的情況下，MCU也能夠透過更進階的功率級設計提升運作效能。這樣的效率提升對于終端使用者相當具吸引力，對于在其他方面皆相同的兩個LED系統(tǒng)而言，是值得突顯的差異之處。

　　舉例來說，假設某座城市計畫更換兩千盞路燈，在比較兩種型號時，效率達到10%的差異（圖2）。值得注意的是，高效率系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入電源為178瓦（W），而低效率系統(tǒng)需要200瓦才能達到相同的160瓦照明輸出。相當于年度能源成本節(jié)省10%，光就電源供應的能源效率計算，等于節(jié)省33，726美元，這筆節(jié)省的成本遠高于LED系統(tǒng)所節(jié)省的成本。

　　圖2 電源的數(shù)位控制能夠達到高于類比系統(tǒng)的轉換效率，且節(jié)省的成本高于LED技術。在這個例子中，10%的效率差異，相當于年度能源成本節(jié)省10%，單就電源供應的能源效率計算，等于節(jié)省33，726美元。這樣的效率對于終端使用者相當具吸引力，對于在其他部分皆相同的兩個LED系統(tǒng)而言，是關鍵的差異。

　　靈活修正色彩與亮度　MCU提升LED照明品質

　　對于商用照明及娛樂照明等多項應用而言，照明品質相當重要。品質在此是指能夠輸出一致的亮度和色彩之能力。然而，製造變異（Manufacturing Variation）、溫度和老化這叁個主要因素會影響LED效能。

　　此外，各批次的LED輸出可能差異極大。使用同一批次的LED可維持單一裝置的品質穩(wěn)定。然而，如果同一產(chǎn)品線的裝置使用不同批次的LED，可能由于製造變異而出現(xiàn)不同的照明品質。若將其中兩個裝置相鄰安裝，則可能產(chǎn)生顯著差異，并令人無法接受的照明品質。透過智能MCU，即可調校系統(tǒng)，以彌補任何差異。由于這是以軟體進行，因此，產(chǎn)品須維持一致時，可在製造過程中進行有效的調校程序。

　　隨著環(huán)境溫度變化，LED的輸出也會產(chǎn)生變化。為因應這一點，系統(tǒng)須能以感測器偵測環(huán)境溫度。MCU須能夠讀取感測器，并隨之調整LED驅動，以靈活修正色彩及亮度。由于溫度檢查僅須定期進行，因此該功能的常用開支相當?shù)汀?/p>

　　此外，MCU亦可使系統(tǒng)能監(jiān)控自身安全運作；如果LED的溫度超過特定臨界值，照明控制器可降低亮度或關閉燈串，同時遠端通知操作人員發(fā)生問題。過熱會使得LED提早老化，造成照明輸出降低。確保LED不超過特定溫度可延長其使用壽命。

　　當LED老化的同時，品質也會受影響，造成色彩配置變異。例如，紅光LED的壽命比藍光LED短，而特定電源輸出或脈衝寬度調變（PWM）頻率所產(chǎn)生的色彩會隨時間改變。智能控制器可解決老化問題，并修正色彩配置，以維持LED系統(tǒng)在使用壽命期間一致的照明效果。

　　管理品質技術也可提升安全及效率。例如照明依環(huán)境光線而調整--大雨期間，可將部分地區(qū)路燈提早點亮；若環(huán)境光線充足，可將照明調暗，以減少電源耗用。 透過運用各種感測器及遠端連線，LED照明應用的安全及效率可大幅提升。例如，交通號誌或特定路燈的感測器可監(jiān)測深夜的交通路況。如果交通相當繁忙，該網(wǎng)路即可點亮比平時更多的路燈。

　　智能LED控制器不僅提高照明品質，還擁有調光及色彩混合等其他功能。在評估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可將個別燈光關閉或調暗。例如，在倉庫中，工人可能分散在不同的空間作業(yè)，此時使用人體感測器，即可將正在使用的空間點亮，如果同一時間只有50%的樓層使用中，即可將其余的燈光關閉，節(jié)省一半的能源。

　　再次以圖2的路燈為例。由于深夜交通流量減少，多數(shù)路燈的亮度可調暗。若搭配通訊網(wǎng)絡使用動作感測器，即可按照實際的交通需求開啟或關閉路燈。若路燈關閉的時間達到25%的程度（圖3），則可節(jié)省25%的能源，即68，218美元。此例中，透過電源供應效率與智慧運作，系統(tǒng)每年總共可節(jié)省多達101，844美元，大約達到33%的程度。

　　圖3 在評估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可將個別燈光關閉或調暗。例如，使用人體感測器即可將目前須要使用的燈光點亮。接續(xù)圖2的例子，如果路燈關閉的時間達到25%的程度，則可節(jié)省25%的能源（68，218美元）。對于此應用，透過電源供應效率與智慧運作，系統(tǒng)每年總共可節(jié)省多達101，844美元，大約達到33%的程度。

　　降低LED照明維護成本　遠端連線不可或缺

　　遠端連線是智能照明系統(tǒng)的關鍵功能。智能裝置可自動管理某些運作，以提升效率及品質。然而，除非設備能與中央控制器進行通訊，否則須預先設定該智慧功能，且只能使該設備發(fā)揮最大效率。

　　將照明系統(tǒng)的各個元件連接成網(wǎng)路后，即可整體協(xié)調設備的運作，這能夠帶來全新的功能，包括遠端調光、遠端關閉及緊急控制。例如，操作人員可從中央位置調整所有照明設備的照明強度，而不須個別調整每盞燈。

　　為使照明系統(tǒng)達到最大效率，各個元件不僅須接收資訊，且亦須將資訊傳回給操作人員。因此，照明裝置可進行簡單的自我診斷。例如，LED是否燒毀或低于最低品質限度，并提醒操作人員進行所有必要的維護。如此一來，不須透過派遣技術人員定期維護、確保設備正常運作，只要遠端檢查設備即可。只有在發(fā)生需要實際解決的問題時，才須派遣技術人員前往現(xiàn)場勘驗。此維護方式加上LED使用壽命延長，使得維護成本可大幅降低，而且，由于可立即查明故障，因此操作安全也更加提升。

　　遠端控制能啟動其他會大幅影響運作效率及成本的進階功能。遠端控制可動態(tài)控制照明，并可將多個照明裝置透過網(wǎng)絡連接至可能與實際裝置距離遙遠的集中控制點。例如，路燈可能須配合日光節(jié)約時間有所調整。此時不須派遣技術人員到各個控制箱，只要遠端修正系統(tǒng)所有照明的排定時間即可。這也讓操作人員能輕鬆因應時間安排上，任何預期外的變化，例如，運動比賽到很晚才結束，而需要道路照明，或在工廠生產(chǎn)旺季時可持續(xù)點亮照明，抑或在緊急情況下，透過直接控制照明，遠端控制也可用來提升安全。

　　準確記錄照明耗電量　降低企業(yè)與工業(yè)電費成本

　　商用及工業(yè)用智能照明的其中一項功能是能準確記錄耗電量。以都市為例，一般都以支付固定的費用來維持路燈運作。透過智能照明控制器，可測量實際消耗的電量，并傳送到集中的位置，如此即可確保都市不會支付超過實際用度的電費，達到實質節(jié)省作業(yè)成本的效用。

　　實際用度資料紀錄亦可供執(zhí)行單位重新規(guī)畫作業(yè)成本、維護資源。另外也可加入進階預測診斷功能。例如，若耗電量增加或須更換的燈泡數(shù)目劇增，則可提醒操作人員發(fā)現(xiàn)潛藏問題。

　　連線對于許多照明系統(tǒng)同樣相當重要，尤其是娛樂應用。市場上已出現(xiàn)許多通訊標準，包括DALI、DMX-512及KNX，且多家廠商已推出支援這些通訊協(xié)定的設備。

　　電力線通訊大展身手

　　照明應用的其中一項重要技術是電力線通訊（PLC）。PLC能讓工程人員透過電源設備的線路將設備連接成網(wǎng)絡，而不須要另外接線做為通訊連結。至于不須使用PLC全部功能的應用，開發(fā)人員可採用PLC-Lite。PLC-Lite是PLC的彈性替代版本，由于本身較為精簡，通訊協(xié)定固定開支較小，資料速率較低，因此能夠以低于G3或PRIME等復雜PLC的各連結成本予以執(zhí)行。

　　由于這并不是固定標準，因此開發(fā)人員可運用PLC-Lite的彈性，針對特定通道特性執(zhí)行加以優(yōu)化，使須要特別處理線路干擾的環(huán)境連結可靠度得到改善。PLC-Lite十分適合需要穩(wěn)定通訊通道的低成本應用，例如家用網(wǎng)絡中的簡單燈泡或是墻壁開關。

　　開發(fā)人員也可運用無線射頻（RF）技術，以無線方式連接裝置。透過模組化架構，裝置可採用任何最適合客戶的連線技術。無論是PLC或無線區(qū)域網(wǎng)路（Wi-Fi）連結，都可透過標準I2C或串列周邊介面（SPI）連接埠將資料傳送至MCU。

　　提供高彈性LED產(chǎn)品設計　Piccolo MCU支援多電源拓撲

　　Piccolo MCU架構是專為數(shù)位電源控制所設計，能夠彈性支援多種電源拓撲。此一領先業(yè)界的PWM系列具備高解析度負載週期（Duty-cycle）控制及高解析度停滯帶（Deadband），能以高效率有效控制功率級。同樣地，進階的PWM亦能夠運用照明控制，產(chǎn)生極為精確的色彩輸出及調光亮度。此外，Piccolo MCU可透過多達十六個PWM輸出，個別控制十六個LED燈串。

　　12位元高解析度類比數(shù)位轉換器（ADC）可補強PWM，并且達到快速取樣，其轉換速度高達每秒四百六十萬次。PWM及ADC模組能讓工程人員建立準確的回饋迴路（Feedback Loop），迅速因應變化的系統(tǒng)以及環(huán)境運作狀況。

　　內建的故障防護機制可確保系統(tǒng)能夠處理過流及過壓狀況。PWM故障跳脫區(qū)能夠讓系統(tǒng)避開中央處理器（CPU），在系統(tǒng)受損前，以非預期之系統(tǒng)狀況中的預先設定狀態(tài)快速改動PWM訊號。使用立即可用的韌體驅動程式與整合式I2C、SPI、通用異步收發(fā)器（UART）、通用序列匯流排（USB）及控制器區(qū)域網(wǎng)路（CAN）周邊能夠讓Piccolo滿足各種應用的連線需求。

　　為降低系統(tǒng)成本，開發(fā)人員須要MCU提供足夠的處理能力，以實作功率級、LED控制、感測器輸入以及單一MCU的遠端連線。此高整合度能夠大幅度地降低照明設計的成本。

　　Piccolo MCU供應商提供一個可支援包括入門級裝置到使用PLC的復雜多燈串系統(tǒng)的32位元MCU。透過核心處理器可提供MCU裝置的數(shù)位訊號處理器（DSP）效能，并處理功率級計算、LED燈串控制，以及DMX512等所有照明通訊協(xié)定。Piccolo提供優(yōu)化的數(shù)學運算、即時控制的中斷驅動架構，以及因應事件變化的可程式彈性，對照明應用而言是最理想的選擇。

　　現(xiàn)今新款MCU亦整合控制律加速器（CLA）。該獨立處理核心可進行雙核心運算，不須要因第二個MCU耗費額外成本或固定開支。CLA可在DSP核心之外獨立執(zhí)行，達到有效的平行處理效果。透過劃分核心及CLA核心之間的照明系統(tǒng)功能，Piccolo MCU可在單一晶片執(zhí)行完整的智能LED控制器。例如，CLA可用來執(zhí)行PLC演算法，而核心可進行數(shù)位電源轉換及LED燈串控制。對于需要進階或較高頻寬PLC的應用而言，整合式Viterbi復雜運算法（Viterbi Complex Math Unit， VCU）可用于32位元MCU中，而這個裝置專為PLC演算法所設計，可加快PLC處理速度，與未使用VCU的裝置相比快七倍。

　　值得注意的是，一般而言，整合系統(tǒng)所有控制器的單晶片設計，所需的成本比需要多個MCU的設計成本低。不過，在某些照明系統(tǒng)中，高電壓及低電壓通常須要使用隔離邊界（Isolation Boundary），在此邊界的不同側進行PFC及DC-DC轉換（圖4）。由于跨越此隔離邊界相當不易，所以可能使單一MCU架構的設計難度提高。因此，利用兩個MCU，使用I2C或SPI介面跨越隔離邊界進行通訊，可能為較簡單的方式。如果設計屬于非隔離式，則在同一個MCU執(zhí)行PFC及DC-DC轉換功能的方式較為直接。

　　圖4 LED照明系統(tǒng)結構圖

　　事實上，目前已有許多半導體公司推出各種開發(fā)軟硬體，協(xié)助工程人員評估和設計LED照明應用，從低電壓輔助電源系統(tǒng)到具備遠端連線的高電壓完整AC供電系統(tǒng)，一應俱全。例如AC LED照明及通訊開發(fā)人員套件即提供完整平臺，有助于加速設計AC供電的智能照明產(chǎn)品（圖5），達到高運作效率，并完整支援DALI、DMX512、KNX及PLC等遠端連線及照明通訊協(xié)定。

　　圖5 以AC供電的智能照明產(chǎn)品