發(fā)光二極管一直以來(lái)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(shí)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(mén)的話題之一,，而且會(huì)很快成為世界各地設(shè)計(jì)人員需要考慮的最重要問(wèn)題之一,。

         對(duì)燈具制造商而言，使用LED具有諸多優(yōu)勢(shì),。不過(guò),，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(jì)需要考慮的主要問(wèn)題時(shí)，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(cè)自身狀況、根據(jù)監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)步驟,。

          輸入低電壓閉鎖：

         LED驅(qū)動(dòng)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)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(jì)為當(dāng)輸入電壓略高于要求的輸出電壓時(shí),，就開(kāi)始工作。比如,，5V的調(diào)節(jié)器會(huì)在輸入電壓達(dá)到6-7V時(shí)就開(kāi)始工作,。不過(guò)，這個(gè)電源的穩(wěn)態(tài)可以是為由5-6個(gè)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(huì)假定電源可用并開(kāi)啟LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（假設(shè)其配置如此）,，隨后LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將試圖進(jìn)入正常工作狀態(tài),。如果此時(shí)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(huì)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?dòng)作應(yīng)該設(shè)計(jì)為只有輸入電壓超過(guò)正常工作的閾值時(shí)，電源部分才會(huì)啟用,。另外,，并非比較器一開(kāi)啟，電壓系統(tǒng)就馬上啟動(dòng),。固件應(yīng)對(duì)比較器的輸出進(jìn)行輪詢,，檢查這種狀態(tài)是否一致（因?yàn)楸容^器是組合邏輯電路的組成部分），然后再啟動(dòng)電源系統(tǒng),。圖2是實(shí)現(xiàn)該功能的硬件原理圖（簡(jiǎn)圖）,。

         發(fā)光二極管一直以來(lái)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(shí)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(mén)的話題之一,，而且會(huì)很快成為世界各地設(shè)計(jì)人員需要考慮的最重要問(wèn)題之一。

         對(duì)燈具制造商而言,，使用LED具有諸多優(yōu)勢(shì)。不過(guò),，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(jì)需要考慮的主要問(wèn)題時(shí),，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(cè)自身狀況,、根據(jù)監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)步驟,。

          輸入低電壓閉鎖：

         LED驅(qū)動(dòng)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)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(jì)為當(dāng)輸入電壓略高于要求的輸出電壓時(shí),，就開(kāi)始工作。比如,，5V的調(diào)節(jié)器會(huì)在輸入電壓達(dá)到6-7V時(shí)就開(kāi)始工作,。不過(guò)，這個(gè)電源的穩(wěn)態(tài)可以是為由5-6個(gè)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(huì)假定電源可用并開(kāi)啟LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（假設(shè)其配置如此）,，隨后LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將試圖進(jìn)入正常工作狀態(tài),。如果此時(shí)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(huì)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?dòng)作應(yīng)該設(shè)計(jì)為只有輸入電壓超過(guò)正常工作的閾值時(shí),，電源部分才會(huì)啟用。另外,，并非比較器一開(kāi)啟,，電壓系統(tǒng)就馬上啟動(dòng)。固件應(yīng)對(duì)比較器的輸出進(jìn)行輪詢,，檢查這種狀態(tài)是否一致（因?yàn)楸容^器是組合邏輯電路的組成部分）,，然后再啟動(dòng)電源系統(tǒng)。圖2是實(shí)現(xiàn)該功能的硬件原理圖（簡(jiǎn)圖）,。

         負(fù)載（LED）監(jiān)測(cè)：

         這里的負(fù)載具有經(jīng)過(guò)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(cè)負(fù)載，這里的目的是確保有合適的負(fù)載電流流過(guò),。LED易于損壞,，特別是在開(kāi)路或者短路發(fā)生的時(shí)候。導(dǎo)致這些類型故障的原因包括線纜松動(dòng),、連接器松動(dòng),、PCB組裝問(wèn)題，等等,。通道出現(xiàn)短路會(huì)導(dǎo)致MOSFET損壞（起開(kāi)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(huì)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(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載狀況的能力,。

          我們不妨考慮開(kāi)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(huì)讓開(kāi)關(guān)（MOSFET）一直開(kāi)著,，以試圖讓電流流往指定的地方。但這樣不會(huì)解決問(wèn)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(huì)試圖關(guān)閉開(kāi)關(guān),，但如果MOSFET已經(jīng)損壞,，它不會(huì)對(duì)這些控制信號(hào)做出響應(yīng)，問(wèn)題同樣無(wú)法解決,。

         智能化的LED燈具應(yīng)該能夠檢測(cè)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(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)的其中一種方法是強(qiáng)制熔斷保險(xiǎn)絲,，從而切斷整個(gè)系統(tǒng)的電源,。另一種方式是向“母”控制器發(fā)出某種信號(hào)，或者停止向“母”控制器發(fā)出某種信號(hào),，以指示故障狀況,。為此，系統(tǒng)必須能夠首先監(jiān)測(cè)負(fù)載電流或者電壓值,。為測(cè)量電流，在LED線路中引入了一個(gè)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(cè)得的電流值采取相應(yīng)的行動(dòng),。例如,，如果通過(guò)LED的電流為500mA，但ADC只測(cè)得10mA,，就可以視為出現(xiàn)故障,。控制器隨即向“母”控制器發(fā)出信號(hào),，啟動(dòng)“熔斷保險(xiǎn)絲”電路,，強(qiáng)行熔斷保險(xiǎn)絲。

         在諸如升壓電路這樣的電路中,，存在著一個(gè)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)的周期內(nèi)充電,，在開(kāi)關(guān)閉合的周期內(nèi)放電。如果負(fù)載出現(xiàn)開(kāi)路,，電容不會(huì)放電但充電仍在繼續(xù),。如果置之不理,，電容兩端的電壓會(huì)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(guò)充電的電容會(huì)在短時(shí)內(nèi)造成過(guò)大電流通過(guò)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(hào)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(guò)預(yù)設(shè)的限值，比較器就會(huì)打開(kāi)開(kāi)關(guān),，關(guān)閉系統(tǒng),。

         環(huán)境條件監(jiān)測(cè)：

         LED燈具會(huì)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(cè)到人進(jìn)出房間,，在人離開(kāi)房間后關(guān)閉或者降低亮度，對(duì)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(fèi)。此外還可以有效利用LED,，延長(zhǎng)其使用壽命,。

         可以在系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合簡(jiǎn)單的環(huán)境光照傳感器（光電二極管或者晶體管）來(lái)完成這項(xiàng)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(hào),。電壓信號(hào)隨即通過(guò)其引腳提供給控制器，然后使用ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),?？刂破鞲鶕?jù)該值來(lái)確定合適的動(dòng)作（降低亮度、關(guān)閉或者開(kāi)啟）,。

         LED自身也會(huì)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(huì)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(cè)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(hào),。當(dāng)控制器具有內(nèi)建的I2C接口時(shí),，如PowerPSoC LED驅(qū)動(dòng)控制器系列，這種方法涉及的處理器開(kāi)銷很小,，因?yàn)闇囟戎当恢苯訄?bào)告了,。另一種成本較低的方法是使用熱敏電阻和一個(gè)普通電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò)。分壓信號(hào)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(dòng)作。處理器需要執(zhí)行額外的工作來(lái)把數(shù)字值轉(zhuǎn)換為溫度的對(duì)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(cè)的跳接功能）,。比較器可以根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值開(kāi)啟或關(guān)閉LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

          實(shí)時(shí)負(fù)載電流控制：

          前文討論了如何監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò)變更驅(qū)動(dòng)電流或者輸出的數(shù)字密度（PWM）來(lái)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(lái)完成,。動(dòng)作可根據(jù)多種因素做出，并可對(duì)每種因素分配優(yōu)先級(jí),。

          例如,，控制器應(yīng)能對(duì)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(guò)，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(shí),，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(dòng)作可以有許多,。

           傳統(tǒng)上，LED驅(qū)動(dòng)器必須有由硬件（電阻值）設(shè)定的驅(qū)動(dòng)電流,，因此進(jìn)行實(shí)時(shí)改變一般來(lái)說(shuō)是不可能的,。在軟件可配置的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，比如PowerPSoC,，改變LED的驅(qū)動(dòng)電流只需改寫(xiě)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(tái)設(shè)計(jì)具有不同功能項(xiàng)的產(chǎn)品。

          故障記錄和診斷：

         在燈具安裝到大型建筑,、停車場(chǎng),、街道等商業(yè)場(chǎng)合后，維修和更換會(huì)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(bào)告故障情況,。

           例如,，燈具可能會(huì)因下列任何原因之一而損壞（或者保險(xiǎn)絲主動(dòng)熔斷）：

· 負(fù)載開(kāi)路

· 負(fù)載短路

· 系統(tǒng)溫度超過(guò)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(guò)壓

· LED壽命終止或者出現(xiàn)過(guò)早老化

· 輸入電壓達(dá)不到閉鎖值的時(shí)間超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)。

          這些狀況都要求監(jiān)測(cè)燈具的工作時(shí)長(zhǎng),。這項(xiàng)功能只要求一個(gè)足夠精確,、能夠記錄工作時(shí)長(zhǎng)的時(shí)鐘（精確到秒）?？刂破鲀?nèi)部的大多數(shù)內(nèi)部生成時(shí)鐘都有一定的冗余度,，可以決定計(jì)時(shí)系統(tǒng)的最終精度。更加精確的時(shí)鐘一般都要求外部振蕩器或者時(shí)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(xiǎn)絲熔斷之前的系統(tǒng)狀況必須存儲(chǔ)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(chǔ)到閃存中,。

          另一種方式是使用通過(guò)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(xiǎn)絲主動(dòng)熔斷/系統(tǒng)關(guān)閉之前存儲(chǔ)到EEPROM器件中,。

         在從設(shè)備中拆除故障燈具時(shí),，可以使用PC或者其他控制器讀出非易失性存儲(chǔ)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(cè)的環(huán)境狀況，而且一般可以用來(lái)幫助工程師查找故障根源,。

         新型設(shè)計(jì)范例：

         傳統(tǒng)上,，電源管理線路是完全用硬件實(shí)現(xiàn)的，唯一的配置性也是通過(guò)硬件提供的,。其結(jié)果就是如果要?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品的多種變形或者新產(chǎn)品,，則需要獨(dú)特的硬件組件組合。如果要縮短設(shè)計(jì)周期或者縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間,，就需要重新考察設(shè)計(jì)范例,。例如，如果設(shè)計(jì)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(jì)周期,。

            其次,，要讓產(chǎn)品從競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品中脫穎而出，或者脫離過(guò)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(tái)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(wèn)題。如果整個(gè)產(chǎn)品系列能夠基本同時(shí)投產(chǎn)或者依次投產(chǎn),，就能夠增強(qiáng)進(jìn)行差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。