解析如何構建自我監(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(chǎn)品上。目前，它們已經(jīng)成為強大的光源，可用于室內(nèi)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(chǎn)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(shù)量也不少，因此產(chǎn)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(jù)監(jiān)測結果調(diào)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(xiàn)步驟。

輸入低電壓閉鎖：

LED驅(qū)動系統(tǒng)的輸入電壓一般是直流電壓。電源由離線的AC-DC轉(zhuǎn)換器或者總線提供。除了為LED驅(qū)動器供電，電源還用于為系統(tǒng)中的控制器供電（需先轉(zhuǎn)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(diào)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(qū)動系統(tǒng)（假設其配置如此），隨后LED驅(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)永久損壞。

為了避免發(fā)生這種情況，系統(tǒng)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(nèi)部與比較器相連?？刂破鳎ü碳┑膭幼鲬撛O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(tǒng)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(tǒng)。圖2是實現(xiàn)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(jīng)過LED且受調(diào)整的恒定電流。雖然電流調(diào)整系統(tǒng)已經(jīng)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(xiàn)短路會導致MOSFET損壞（起開關作用）。鑒于這些系統(tǒng)的功率，在出現(xiàn)故障的情況下，會導致大電流的出現(xiàn)，并釋放大量熱量。為了保護系統(tǒng)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(jīng)的路徑不存在。如果讓電流調(diào)整系統(tǒng)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(xiàn)電流不受控制地突增的短路情況下。反饋系統(tǒng)會試圖關閉開關，但如果MOSFET已經(jīng)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(tǒng)置于可以安全避免故障導致不良后果的狀況。實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)字輸出受處理器監(jiān)控，并根據(jù)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(xiàn)故障?？刂破麟S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(tǒng)正常工作的條件下，大容量電容器在開關斷開的周期內(nèi)充電，在開關閉合的周期內(nèi)放電。如果負載出現(xiàn)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(nèi)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(wǎng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。當電壓超過預設的限值，比較器就會打開開關，關閉系統(tǒng)。

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(tǒng)內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號?？刂破鞲鶕?jù)該值來確定合適的動作（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(nèi)，散熱條件惡劣。如果出現(xiàn)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。

總體而言，大致有兩種監(jiān)測系統(tǒng)溫度的方法。其中成本較高的一種是采用基于I2C的溫度感應器向控制器發(fā)送與溫度相關的數(shù)字信號。當控制器具有內(nèi)建的I2C接口時，如PowerPSoC LED驅(qū)動控制器系列，這種方法涉及的處理器開銷很小，因為溫度值被直接報告了。另一種成本較低的方法是使用熱敏電阻和一個普通電阻構成分壓網(wǎng)絡。分壓信號輸入到控制器，后者使用ADC將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并根據(jù)溫度情況采取相應的動作。處理器需要執(zhí)行額外的工作來把數(shù)字值轉(zhuǎn)換為溫度的對應值。接著可以把熱敏電阻的電壓直接輸入到比較器（類似負載電壓監(jiān)測的跳接功能）。比較器可以根據(jù)預設的閾值開啟或關閉LED驅(qū)動系統(tǒng)。

實時負載電流控制：

前文討論了如何監(jiān)測負載電流、電壓和環(huán)境條件。智能燈具還應該具備根據(jù)監(jiān)測到的狀況改變其行為的能力。

例如，智能燈具應該能夠通過變更驅(qū)動電流或者輸出的數(shù)字密度（PWM）來調(diào)整亮度。這可以根據(jù)環(huán)境條件、負載狀況或者外部輸入，如按鈕或者通信接口來完成。動作可根據(jù)多種因素做出，并可對每種因素分配優(yōu)先級。

例如，控制器應能對I2C或者UART這樣的通信接口做出響應，并根據(jù)收到的數(shù)據(jù)調(diào)整亮度。不過，當輸入電壓降至閉鎖閾值之下，或者溫度升至安全值之上時，控制器可以逐步降低亮度（不考慮通信接口），并在設定值處關閉燈具。這樣設定的動作可以有許多。

傳統(tǒng)上，LED驅(qū)動器必須有由硬件（電阻值）設定的驅(qū)動電流，因此進行實時改變一般來說是不可能的。在軟件可配置的LED驅(qū)動系統(tǒng)中，比如PowerPSoC，改變LED的驅(qū)動電流只需改寫一些DAC寄存器。另外，采用軟件可配置系統(tǒng)可以使用單一的硬件平臺設計具有不同功能項的產(chǎn)品。

故障記錄和診斷：

在燈具安裝到大型建筑、停車場、街道等商業(yè)場合后，維修和更換會影響到成本和維護效率。如果控制器配有與“母”控制器通信的接口，用以規(guī)劃維修和更換工作，該控制器也可用于記錄和報告故障情況。

例如，燈具可能會因下列任何原因之一而損壞（或者保險絲主動熔斷）：

middot; 負載開路

· 負載短路

· 系統(tǒng)溫度超過閾值的次數(shù)多于預設的次數(shù)

· 負載兩端出現(xiàn)過壓

· LED壽命終止或者出現(xiàn)過早老化

· 輸入電壓達不到閉鎖值的時間超過預設時長。

這些狀況都要求監(jiān)測燈具的工作時長。這項功能只要求一個足夠精確、能夠記錄工作時長的時鐘（精確到秒）?？刂破鲀?nèi)部的大多數(shù)內(nèi)部生成時鐘都有一定的冗余度，可以決定計時系統(tǒng)的最終精度。更加精確的時鐘一般都要求外部振蕩器或者時鐘源。

為了記錄故障的原因，恰在系統(tǒng)關閉之前或者保險絲熔斷之前的系統(tǒng)狀況必須存儲到非易失性介質(zhì)中。帶閃存的控制器可以把這些狀況存儲到閃存中。

另一種方式是使用通過I2C接口與控制器相連的串行EEPROM器件。系統(tǒng)的工作情況和周邊情況可以不斷地、或者在保險絲主動熔斷/系統(tǒng)關閉之前存儲到EEPROM器件中。

在從設備中拆除故障燈具時，可以使用PC或者其他控制器讀出非易失性存儲器件，確定故障發(fā)生前的狀況。讀出的信息可用于確定零部件故障率、未知或者不可預測的環(huán)境狀況，而且一般可以用來幫助工程師查找故障根源。

新型設計范例：

傳統(tǒng)上，電源管理線路是完全用硬件實現(xiàn)的，唯一的配置性也是通過硬件提供的。其結果就是如果要創(chuàng)建產(chǎn)品的多種變形或者新產(chǎn)品，則需要獨特的硬件組件組合。如果要縮短設計周期或者縮短產(chǎn)品投放市場的時間，就需要重新考察設計范例。例如，如果設計流程替代所包含的可配置軟件模塊，就可以大幅度縮短設計周期。

其次，要讓產(chǎn)品從競爭對手的產(chǎn)品中脫穎而出，或者脫離過去產(chǎn)品的窠臼，只需要變更軟件配置并使用具有多重選擇的同一硬件平臺即可。軟件可配置性還消除了采用硬件組件進行配置通常所面臨的冗余度問題。如果整個產(chǎn)品系列能夠基本同時投產(chǎn)或者依次投產(chǎn)，就能夠增強進行差異化的競爭優(yōu)勢。