高效能MCU助陣 LED照明系統(tǒng)增添智能功能

將智能功能加入發(fā)光二極體（LED）照明應(yīng)用須要將固定功能LED驅(qū)動(dòng)器改換成微控制器（MCU）或可程式架構(gòu)（Programmable Architecture）。對于需要進(jìn)階功能的應(yīng)用而言，使用MCU可達(dá)到許多智能功能，例如原生調(diào)光控制（NaTIve Dimming Control）、專業(yè)混色（Specialized Color Mixing）、適應(yīng)式照明控制（AdapTIve LighTIng Control）及遠(yuǎn)端連結(jié)（Remote ConnecTIvity）。

對于照明應(yīng)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(yīng)，使其符合成本效益，并進(jìn)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(zhǔn)的智能功能及差異性。

專用MCU滿足LED應(yīng)用市場

照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)過快速演進(jìn)，現(xiàn)今LED技術(shù)展現(xiàn)許多效益。然而，不同類型的LED照明應(yīng)用，因所支持的功能不同，亦有極大的差異。其中，住宅方面的應(yīng)用包括燈泡更換、重點(diǎn)照明（Accent Lighting）與小范圍室外照明，一般而言只須點(diǎn)亮一或兩個(gè)LED燈串，但此一市場具有成本壓力，因此進(jìn)階控制尚不普遍。至于商業(yè)應(yīng)用方面，包括螢光燈安定器（Fluorescent Ballast）、燈泡更換及重點(diǎn)照明，亦只須點(diǎn)亮一至兩個(gè)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(yīng)用則須要遠(yuǎn)端連結(jié)與智能型控制器功能。

此外，娛樂應(yīng)用方面，則包括高階顯示器及情景照明（Mood Lighting）。完整強(qiáng)度控制與一致的色彩品質(zhì)相當(dāng)重要，對于數(shù)位尋址照明介面（DALI）或DMX-512之類的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)定，遠(yuǎn)端連結(jié)與支援也相當(dāng)重要。室外及基礎(chǔ)建設(shè)則包括街道照明、工廠與辦公大樓照明等應(yīng)用，此一市場的設(shè)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(dāng)常見，而這些應(yīng)用則相當(dāng)須要遠(yuǎn)端連結(jié)與高度智能控制器。

降低系統(tǒng)建置成本　MCU實(shí)現(xiàn)高彈性LED照明

最簡單的LED照明系統(tǒng)使用LED驅(qū)動(dòng)器。這些固定功能裝置可直接控制LED，且成本相當(dāng)?shù)汀Ｒ话愣裕@些裝置可達(dá)到良好的能源效率，且不須要軟體程式設(shè)定。在最壞的情況下，開發(fā)人員須進(jìn)行多次計(jì)算，選擇所需的驅(qū)動(dòng)器，或決定電路板元件的配置值。

雖然LED驅(qū)動(dòng)器可直接使用，不過對于較進(jìn)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(shí)上，系統(tǒng)的任何改變（如燈串的LED數(shù)和燈串?dāng)?shù)）都可能使驅(qū)動(dòng)器也須隨之變更。因此，原始設(shè)備制造商（OEM）供應(yīng)的大多數(shù)照明產(chǎn)品都可能需要獨(dú)特的類比驅(qū)動(dòng)器。對于大型系列產(chǎn)品而言，這會(huì)增加OEM或供應(yīng)商的庫存品項(xiàng)數(shù)，而可能造成經(jīng)濟(jì)規(guī)模降低或設(shè)備成本提高。

另一方面，智能型控制器能讓開發(fā)人員建立更具彈性的照明系統(tǒng)。在MCU系統(tǒng)中，可設(shè)定程式碼支援各種LED、獨(dú)特的功率級需求、不同的燈串長度以及不同數(shù)量的燈串，而不須大幅變更硬件。系統(tǒng)也可另做設(shè)計(jì)，以自動(dòng)偵測須要驅(qū)動(dòng)哪些LED。MCU系統(tǒng)的可編程特性也可達(dá)到進(jìn)階調(diào)光及定序功能，提供更進(jìn)階的照明場景控制和自動(dòng)化照明亮度。

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

實(shí)現(xiàn)智能型LED照明　數(shù)位控制整合功不可沒

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

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

各個(gè)主要階段皆需智能型控制器維持效率及功能。使用固定功能的類比做法時(shí)，可能需要個(gè)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(shí)，可透過高度整合降低燈具電源供應(yīng)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(shí)運(yùn)用中央可程式平臺協(xié)調(diào)控制智能型照明系統(tǒng)的叁個(gè)主要階段。

數(shù)位電源控制也能夠提升動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。雖然LED的效率高于傳統(tǒng)的照明設(shè)備，運(yùn)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(jìn)行調(diào)光、變換色彩輸出或調(diào)整亮度輸出時(shí)，數(shù)位電源控制能使LED照明系統(tǒng)的功率級達(dá)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(jìn)階的功率級設(shè)計(jì)提升運(yùn)作效能。這樣的效率提升對于終端使用者相當(dāng)具吸引力，對于在其他方面皆相同的兩個(gè)LED系統(tǒng)而言，是值得突顯的差異之處。

舉例來說，假設(shè)某座城市計(jì)劃更換兩千盞路燈，在比較兩種型號時(shí)，效率達(dá)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(dá)到相同的160瓦照明輸出。相當(dāng)于年度能源成本節(jié)省10%，光就電源供應(yīng)的能源效率計(jì)算，等于節(jié)省33，726美元，這筆節(jié)省的成本遠(yuǎn)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(dá)到高于類比系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，且節(jié)省的成本高于LED技術(shù)。在這個(gè)例子中，10%的效率差異，相當(dāng)于年度能源成本節(jié)省10%，單就電源供應(yīng)的能源效率計(jì)算，等于節(jié)省33，726美元。這樣的效率對于終端使用者相當(dāng)具吸引力，對于在其他部分皆相同的兩個(gè)LED系統(tǒng)而言，是關(guān)鍵的差異。