解析如何構(gòu)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(dāng)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(qiáng)大的光源，可用于室內(nèi)照明、標(biāo)識牌、顯示屏和裝飾照明應(yīng)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(jì)最為熱門的話題之一，而且會很快成為世界各地設(shè)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(dāng)能耗和人力成本成為設(shè)計需要考慮的主要問題時，大型照明設(shè)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(jié)果調(diào)整工作模式、在失效后能夠進(jìn)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(shè)計為當(dāng)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(dá)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(gòu)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(shè)其配置如此），隨后LED驅(qū)動系統(tǒng)將試圖進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)致系統(tǒng)永久損壞。

為了避免發(fā)生這種情況，系統(tǒng)應(yīng)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?yīng)該設(shè)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(yīng)對比較器的輸出進(jìn)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(fù)載（LED）監(jiān)測：

這里的負(fù)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(fù)載，這里的目的是確保有合適的負(fù)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(dǎo)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(dǎo)致MOSFET損壞（起開關(guān)作用）。鑒于這些系統(tǒng)的功率，在出現(xiàn)故障的情況下，會導(dǎo)致大電流的出現(xiàn)，并釋放大量熱量。為了保護(hù)系統(tǒng)及其周邊免受故障的不良影響，控制器應(yīng)具備實時監(jiān)控負(fù)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(guān)（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(guān)閉開關(guān)，但如果MOSFET已經(jīng)損壞，它不會對這些控制信號做出響應(yīng)，問題同樣無法解決。

智能化的LED燈具應(yīng)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(dǎo)致不良后果的狀況。實現(xiàn)這種目標(biāo)的其中一種方法是強(qiáng)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(fù)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(guān)斷開的周期內(nèi)充電，在開關(guān)閉合的周期內(nèi)放電。如果負(fù)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(dǎo)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(fù)載，這樣可能永久地?fù)p壞LED。

在大容量電容兩端接上電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，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(guān)閉的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)的限值，比較器就會打開開關(guān)，關(guān)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(jìn)出房間，在人離開房間后關(guān)閉或者降低亮度，對節(jié)能頗有好處。這可以節(jié)省電力，進(jìn)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(jié)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(qiáng)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(guān)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(zāi)。

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(yīng)器向控制器發(fā)送與溫度相關(guān)的數(shù)字信號。當(dāng)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(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)。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(yīng)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(yīng)值。接著可以把熱敏電阻的電壓直接輸入到比較器（類似負(fù)載電壓監(jiān)測的跳接功能）。比較器可以根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值開啟或關(guān)閉LED驅(qū)動系統(tǒng)。

實時負(fù)載電流控制：

前文討論了如何監(jiān)測負(fù)載電流、電壓和環(huán)境條件。智能燈具還應(yīng)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(yīng)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(fù)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(yīng)能對I2C或者UART這樣的通信接口做出響應(yīng)，并根據(jù)收到的數(shù)據(jù)調(diào)整亮度。不過，當(dāng)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(shè)定值處關(guān)閉燈具。這樣設(shè)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(shè)定的驅(qū)動電流，因此進(jìn)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(shè)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(hù)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(fù)載開路

· 負(fù)載短路

· 系統(tǒng)溫度超過閾值的次數(shù)多于預(yù)設(shè)的次數(shù)

· 負(fù)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(dá)不到閉鎖值的時間超過預(yù)設(shè)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）。控制器內(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(guān)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(guān)閉之前存儲到EEPROM器件中。

在從設(shè)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(yù)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(shè)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(jié)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(shè)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(shè)計范例。例如，如果設(shè)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(shè)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(jìn)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(qiáng)進(jìn)行差異化的競爭優(yōu)勢。