高效能MCU助阵 LED照明系统增添智能功能
|
对于需要进阶功能的应用而言，使用MCU可达到许多智能功能，例如原生调光控制(Native Dimming Control)、专业混色(Specialized Color Mixing)、适应式照明控制(Adaptive Lighting Control)及远端连结(Remote Connectivity)。 对于LED照明应用而言，电力电子(Power Electronics)产品专用的MCU甚至能有效控制灯具电源供应，使其符合成本效益，并进行照明控制及通讯。如同许多现代电子产品的趋势，改用数位控制开启了更多弹性空间，且为照明产品带来新水准的智能功能及差异性。 专用MCU满足LED应用市场 照明产业经过快速演进，现今LED技术展现许多效益。然而，不同类型的LED照明应用，因所支持的功能不同，亦有极大的差异。其中，住宅方面的应用包括灯泡更换、重点照明(Accent Lighting)与小范围室外照明，一般而言只须点亮一或两个LED灯串，但此一市场具有成本压力，因此进阶控制尚不普遍。至于商业应用方面，包括萤光灯安定器(Fluorescent Ballast)、灯泡更换及重点照明，亦只须点亮一至两个LED灯串，同样受限于成本考量，此一市场具有高度节能意识;而高阶应用则须要远端连结与智能型控制器功能。 此外，娱乐应用方面，则包括高阶显示器及情景照明(Mood Lighting)。完整强度控制与一致的色彩品质相当重要，对于数位寻址照明介面(DALI)或DMX-512之类的业界标准通讯协定，远端连结与支援也相当重要。室外及基础建设则包括街道照明、工厂与办公大楼照明等应用，此一市场的设备一般有为数众多的LED，并须支援许多灯串，其中，高亮度LED也相当常见，而这些应用则相当须要远端连结与高度智能控制器。 降低系统建置成本MCU实现高弹性LED照明 最简单的LED照明系统使用LED驱动器。这些固定功能装置可直接控制LED，且成本相当低。一般而言，这些装置可达到良好的能源效率，且不须要软体程式设定。在最坏的情况下，开发人员须进行多次计算，选择所需的驱动器，或决定电路板元件的配置值。 虽然LED驱动器可直接使用，不过对于较进阶的系统而言则显得弹性不足。若要支援不同类型的LED(如高瓦数或不同色彩)，或不同的LED灯串配置，则可能须使用不同的解决方案。事实上，系统的任何改变(如灯串的LED数和灯串数)都可能使驱动器也须随之变更。因此，原始设备制造商(OEM)供应的大多数照明产品都可能需要独特的类比驱动器。对于大型系列产品而言，这会增加OEM或供应商的库存品项数，而可能造成经济规模降低或设备成本提高。 另一方面，智能型控制器能让开发人员建立更具弹性的照明系统。在MCU系统中，可设定程式码支援各种LED、独特的功率级需求、不同的灯串长度以及不同数量的灯串，而不须大幅变更硬件。系统也可另做设计，以自动侦测须要驱动哪些LED。MCU系统的可编程特性也可达到进阶调光及定序功能，提供更进阶的照明场景控制和自动化照明亮度。 弹性的数位化控制可使OEM能设计可控制多种产品的单一控制器。由于控制器IP可重复使用，因此也可大幅减少设计投资;弹性的控制器亦可减少库存的装置数目，同时透过更大的规模经济降低整体系统成本。 实现智能型LED照明数位控制整合功不可没 智能型LED照明系统的基本架构包含叁个主要阶段，即电源转换(Power Conversion)、LED控制及通讯(图1)。电源转换阶段会将正确的电压及电流传送到LED。首先进行交流对直流(AC-DC)整流，再进行功率因数修正(PFC)阶段，最后进行一次或多次平行直流对直流(DC-DC)转换阶段。若要提供有效的电源转换，则须要精准、灵活地控制这些转换阶段。
图1 智能型LED照明系统包含电源转换、LED控制及通讯叁个主要阶段 各个主要阶段皆需智能型控制器维持效率及功能。使用固定功能的类比做法时，可能需要个别的PFC、DC-DC、LED及通讯控制器。然而，使用专用的电源电子产品MCU时，可透过高度整合降低灯具电源供应的元件成本。在效能、电源优化的周边及通讯连接埠充足的情况下，单一MCU可控制照明系统功率级、LED照明控制及通讯等叁大主要部分的潜力。透过MCU的数位整合功能，照明系统能减少许多不必要的元件，同时运用中央可程式平台协调控制智能型照明系统的叁个主要阶段。 数位电源控制也能够提升动态系统的转换效率。虽然LED的效率高于传统的照明设备，运作及能源成本相对降低，但并非所有LED系统都完全相同。以任何方式进行调光、变换色彩输出或调整亮度输出时，数位电源控制能使LED照明系统的功率级达到更高的效率。同样在固定照明的情况下，MCU也能够透过更进阶的功率级设计提升运作效能。这样的效率提升对于终端使用者相当具吸引力，对于在其他方面皆相同的两个LED系统而言，是值得突显的差异之处。 举例来说，假设某座城市计划更换两千盏路灯，在比较两种型号时，效率达到10%的差异(图2)。值得注意的是，高效率系统的系统输入电源为178瓦(W)，而低效率系统需要200瓦才能达到相同的160瓦照明输出。相当于年度能源成本节省10%，光就电源供应的能源效率计算，等于节省33，726美元，这笔节省的成本远高于LED系统所节省的成本。
图2中电源的数位控制能够达到高于类比系统的转换效率，且节省的成本高于LED技术。在这个例子中，10%的效率差异，相当于年度能源成本节省10%，单就电源供应的能源效率计算，等于节省33，726美元。这样的效率对于终端使用者相当具吸引力，对于在其他部分皆相同的两个LED系统而言，是关键的差异。 灵活修正色彩与亮度MCU提升LED照明品质 对于商用照明及娱乐照明等多项应用而言，照明品质相当重要。品质在此是指能够输出一致的亮度和色彩之能力。然而，制造变异(Manufacturing Variation)、温度和老化这叁个主要因素会影响LED效能。 此外，各批次的LED输出可能差异极大。使用同一批次的LED可维持单一装置的品质稳定。然而，如果同一产品线的装置使用不同批次的LED，可能由于制造变异而出现不同的照明品质。若将其中两个装置相邻安装，则可能产生显着差异，并令人无法接受的照明品质。透过智能型MCU，即可调校系统，以弥补任何差异。由于这是以软体进行，因此，产品须维持一致时，可在制造过程中进行有效的调校程序。 随着环境温度变化，LED的输出也会产生变化。为因应这一点，系统须能以感测器侦测环境温度。MCU须能够读取感测器，并随之调整LED驱动，以灵活修正色彩及亮度。由于温度检查仅须定期进行，因此该功能的常用开支相当低。 此外，MCU亦可使系统能监控自身安全运作;如果LED的温度超过特定临界值，照明控制器可降低亮度或关闭灯串，同时远端通知操作人员发生问题。过热会使得LED提早老化，造成照明输出降低。确保LED不超过特定温度可延长其使用寿命。 当LED老化的同时，品质也会受影响，造成色彩配置变异。例如，红光LED的寿命比蓝光LED短，而特定电源输出或脉冲宽度调变(PWM)频率所产生的色彩会随时间改变。智能型控制器可解决老化问题，并修正色彩配置，以维持LED系统在使用寿命期间一致的照明效果。 管理品质技术也可提升安全及效率。例如照明依环境光线而调整--大雨期间，可将部分地区路灯提早点亮;若环境光线充足，可将照明调暗，以减少电源耗用。透过运用各种感测器及远端连线，$LED照明应用的安全及效率可大幅提升。例如，交通号誌或特定路灯的感测器可监测深夜的交通路况。如果交通相当繁忙，该网路即可点亮比平时更多的路灯。 智能型LED控制器不仅提高照明品质，还拥有调光及色彩混合等其他功能。在评估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可将个别灯光关闭或调暗。例如，在仓库中，工人可能分散在不同的空间作业，此时使用人体感测器，即可将正在使用的空间点亮，如果同一时间只有50%的楼层使用中，即可将其余的灯光关闭，节省一半的能源。 再次以图2的路灯为例。由于深夜交通流量减少，多数路灯的亮度可调暗。若搭配通讯网络使用动作感测器，即可按照实际的交通需求开启或关闭路灯。若路灯关闭的时间达到25%的程度(图3)，则可节省25%的能源，即68，218美元。此例中，透过电源供应效率与智能运作，系统每年总共可节省多达101，844美元，大约达到33%的程度。
图3在评估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可将个别灯光关闭或调暗。例如，使用人体感测器即可将目前须要使用的灯光点亮。接续图2的例子，如果路灯关闭的时间达到25%的程度，则可节省25%的能源(68,218美元)。对于此应用，透过电源供应效率与智能运作，系统每年总共可节省多达101，844美元，大约达到33%的程度。 降低LED照明维护成本远端连线不可或缺 远端连线是智能型照明系统的关键功能。智能型装置可自动管理某些运作，以提升效率及品质。然而，除非设备能与中央控制器进行通讯，否则须预先设定该智能功能，且只能使该设备发挥最大效率。 将照明系统的各个元件连接成网路后，即可整体协调设备的运作，这能够带来全新的功能，包括远端调光、远端关闭及紧急控制。例如，操作人员可从中央位置调整所有照明设备的照明强度，而不须个别调整每盏灯。 为使照明系统达到最大效率，各个元件不仅须接收资讯，且亦须将资讯传回给操作人员。因此，照明装置可进行简单的自我诊断。例如，LED是否烧毁或低于最低品质限度，并提醒操作人员进行所有必要的维护。如此一来，不须透过派遣技术人员定期维护、确保设备正常运作，只要远端检查设备即可。只有在发生需要实际解决的问题时，才须派遣技术人员前往现场勘验。此维护方式加上LED使用寿命延长，使得维护成本可大幅降低，而且，由于可立即查明故障，因此操作安全也更加提升。 远端控制能启动其他会大幅影响运作效率及成本的进阶功能。远端控制可动态控制照明，并可将多个照明装置透过网络连接至可能与实际装置距离遥远的集中控制点。例如，路灯可能须配合日光节约时间有所调整。此时不须派遣技术人员到各个控制箱，只要远端修正系统所有照明的排定时间即可。这也让操作人员能轻鬆因应时间安排上，任何预期外的变化，例如，运动比赛到很晚才结束，而需要道路照明，或在工厂生产旺季时可持续点亮照明，抑或在紧急情况下，透过直接控制照明，远端控制也可用来提升安全。 准确记录照明耗电量降低企业与工业电费成本 商用及工业用智能型照明的其中一项功能是能准确记录耗电量。以都市为例，一般都以支付固定的费用来维持路灯运作。透过智能型照明控制器，可测量实际消耗的电量，并传送到集中的位置，如此即可确保都市不会支付超过实际用度的电费，达到实质节省作业成本的效用。 实际用度资料纪录亦可供执行单位重新规画作业成本、维护资源。另外也可加入进阶预测诊断功能。例如，若耗电量增加或须更换的灯泡数目剧增，则可提醒操作人员发现潜藏问题。 连线对于许多照明系统同样相当重要，尤其是娱乐应用。市场上已出现许多通讯标准，包括DALI、DMX-512及KNX，且多家厂商已推出支援这些通讯协定的设备。 电力线通讯大展身手 照明应用的其中一项重要技术是电力线通讯(PLC)。PLC能让工程人员透过电源设备的线路将设备连接成网络，而不须要另外接线做为通讯连结。至于不须使用PLC全部功能的应用，开发人员可採用PLC-Lite。PLC-Lite是PLC的弹性替代版本，由于本身较为精简，通讯协定固定开支较小，资料速率较低，因此能够以低于G3或PRIME等复杂PLC的各连结成本予以执行。 由于这并不是固定标准，因此开发人员可运用PLC-Lite的弹性，针对特定通道特性执行加以优化，使须要特别处理线路干扰的环境连结可靠度得到改善。PLC-Lite十分适合需要稳 定通讯通道的低成本应用，例如家用网络中的简单灯泡或是墙壁开关。 开发人员也可运用无线射频(RF)技术，以无线方式连接装置。透过模组化架构，装置可採用任何最适合客户的连线技术。无论是PLC或无线区域网路(Wi-Fi)连结，都可透过标准I2C或串列周边介面(SPI)连接埠将资料传送至MCU。 提供高弹性LED产品设计PiccoloMCU支援多电源拓扑 Piccolo MCU架构是专为数位电源控制所设计，能够弹性支援多种电源拓扑。此一领先业界的PWM系列具备高解析度负载週期(Duty-cycle)控制及高解析度停滞带(Deadband)，能以高效率有效控制功率级。同样地，进阶的PWM亦能够运用照明控制，产生极为精确的色彩输出及调光亮度。此外，Piccolo MCU可透过多达十六个PWM输出，个别控制十六个LED灯串。 12位元高解析度类比数位转换器(ADC)可补强PWM，并且达到快速取样，其转换速度高达每秒四百六十万次。PWM及ADC模组能让工程人员建立准确的回馈迴路(Feedback Loop)，迅速因应变化的系统以及环境运作状况。 内建的故障防护机制可确保系统能够处理过流及过压状况。PWM故障跳脱区能够让系统避开中央处理器(CPU)，在系统受损前，以非预期之系统状况中的预先设定状态快速改动PWM讯号。使用立即可用的韧体驱动程式与整合式I2C、SPI、通用异步收发器(UART)、通用序列匯流排(USB)及控制器区域网路(CAN)周边能够让Piccolo满足各种应用的连线需求。 为降低系统成本，开发人员须要MCU提供足够的处理能力，以实作功率级、LED控制、感测器输入以及单一MCU的远端连线。此高整合度能够大幅度地降低照明设计的成本。 Piccolo MCU供应商提供一个可支援包括入门级装置到使用PLC的复杂多灯串系统的32位元MCU。透过核心处理器可提供MCU装置的数位讯号处理器(DSP)效能，并处理功率级计算、LED灯串控制，以及DMX512等所有照明通讯协定。Piccolo提供优化的数学运算、即时控制的中断驱动架构，以及因应事件变化的可程式弹性，对照明应用而言是最理想的选择。 现今新款MCU亦整合控制律加速器(CLA)。该独立处理核心可进行双核心运算，不须要因第二个MCU耗费额外成本或固定开支。CLA可在DSP核心之外独立执行，达到有效的平行处理效果。透过划分核心及CLA核心之间的照明系统功能，Piccolo MCU可在单一晶片执行完整的智能型LED控制器。例如，CLA可用来执行PLC演算法，而核心可进行数位电源转换及LED灯串控制。对于需要进阶或较高频宽PLC的应用而言，整合式Viterbi复杂运算法(Viterbi Complex Math Unit，VCU)可用于32位元MCU中，而这个装置专为PLC演算法所设计，可加快PLC处理速度，与未使用VCU的装置相比快七倍。 值得注意的是，一般而言，整合系统所有控制器的单晶片设计，所需的成本比需要多个MCU的设计成本低。不过，在某些照明系统中，高电压及低电压通常须要使用隔离边界(Isolation Boundary)，在此边界的不同侧进行PFC及DC-DC转换(图4)。由于跨越此隔离边界相当不易，所以可能使单一MCU架构的设计难度提高。因此，利用两个MCU，使用I2C或SPI介面跨越隔离边界进行通讯，可能为较简单的方式。如果设计属于非隔离式，则在同一个MCU执行PFC及DC-DC转换功能的方式较为直接。
图4 LED照明系统结构图 事实上，目前已有许多半导体公司推出各种开发软硬体，协助工程人员评估和设计LED照明应用，从低电压辅助电源系统到具备远端连线的高电压完整AC供电系统，一应俱全。例如AC LED照明及通讯开发人员套件即提供完整平台，有助于加速设计AC供电的智能型照明产品(图5)，达到高运作效率，并完整支援DALI、DMX512、KNX及PLC等远端连线及照明通讯协定。
图5 以AC供电的智能型照明产品 |
