如何用MCU为照明应用提供功率控制和智能功能

如何用MCU为照明应用提供功率控制和智能功能

2007年9月1日 低效率光源并不酷(cool)——这句话在形式上已经过时。请原谅这里使用的双关语，但是我们可以迅速意识到能量消耗对环境所产生的影响。照明应用消耗了我们大部分的能源。据美国能源部的统计，照明消耗了12%的住宅能源和25%的商业能源。因此，通过使用效率更高的照明技术，必定能够产生极大的节能效应。

白炽灯从最初被设计出来至今几乎没有任何变化，白炽灯的功效约为8流明/瓦。功效是照明专家用来衡量效率的指标，它规定每瓦输入功率会产生多少流明的光输出。白炽灯中产生的功率约有95%是用来发热而不是发光的。另一方面，白炽灯的替代方案可以轻松提供高出白炽灯2~10倍的功效值。

我并不是在挑剔白炽灯。如果功效是衡量光源的唯一重要特性，那么白炽灯可能要很多年以后才会消失。使用寿命、耐用性和光的质量等其它参数也非常重要，这取决于照明应用的类型。

为获得最佳的功效，所有照明技术都可以从开关模式电源(SMPS)系统中受益。此外，智能控制可应用于任何照明技术中，通过主动节能功能最大限度地降低能量损耗。因此，带有SMPS控制功能的智能嵌入式控制系统是开发高能效照明应用必不可少的元件。

在照明应用中加入MCU

白炽灯的高显色指数(CRI)使其至今仍有用武之地。光源的CRI是对忠实重现被照物体颜色的能力的一种度量。单色光源的CRI为0，这是因为只有一种颜色被重现。白炽灯的CRI几乎接近100，这可能是CRI的最大值。白炽灯在零售业照明中也非常流行，在这类应用中，它增加了所展示产品的吸引力。

图1：在这个较简单的电路中，采用了一个6引脚MCU控制三端双向可控硅灯光调节电路。

给照明应用增加一个嵌入式处理器并不复杂(图1)。简单地将白炽灯调暗就可以节省大量能源。图1中的电路采用6引脚PIC10F200 MCU来控制一个三端双向可控硅电路。三端双向可控硅通过控制交流输入电压每个半周期中的导电时间长短来控制光密度。三端双向可控硅可有效地对输入的交流电压执行脉宽调制(PWM)功能。在交流周期的初期等待较长时间后再打开三端双向可控硅可以降低光密度(图2)。

需要利用两个I/O引脚来控制三端双向可控硅。MCU监视输入引脚上交流线路电压的样本，以获得过零信息。然后MCU利用过零信息实现可变的三端双向可控硅触发延迟。

一些工程师可能认为他们不需要用MCU来控制三端双向可控硅，因为他们可以通过一个简单的RC延迟电路来实现这种控制。但采用MCU进行控制具有某些优势。三端双向可控硅需要一定量的栅极偏置电流以允许电流流过。此外，三端双向可控硅还具有一个最小维持电流。当流过三端双向可控硅的电流大小超过该维持电流时，栅极偏置电流会被消除，而三端双向可控硅将继续导通。

这意味着当采用MCU时，三端双向可控硅可以仅通过栅极上的一个短脉冲来提供电压。因此，当在每个交流周期上进行平均时，偏置电路的电流很小。这使得有可能采用更小且更便宜的偏置电路元件。MCU也需要一个5V电源，但是它可以采用非常便宜的电阻器和齐纳二极管电路，这是因为MCU汲取的电流平均不到500μA。在本例中，用两个11k、1/8W电阻器来产生MCU偏压。

由于电路中采用了MCU，因此可以增加包括遥控、动作感应和定时相关功能在内的其它功能。而且，灯光的明暗控制能够线性地进行。由于交流电压具有正弦曲线分布，因此三端双向可控硅触发延迟和光密度之间不存在线性关系。通过用查找表将所需的光密度转换成合适的触发角，可以轻松解决这个问题。

如果你想通过光电池或红外传感器控制电路，则最好的办法是利用MCU上的I/O引脚来为这些器件供电。这样，传感器件仅在需要时才被激活，以便保存从5V偏置电路汲取的功率。

数字照明

荧光灯可以提供一种功效远高于白炽灯的光源。虽然由于其CRI较低而使得光的质量并不那么近人意，但荧光灯的功效通常比白炽灯高10倍。荧光灯在必须严格控制能源成本的商业应用中得到了广泛应用。但是，随着人们日渐意识到节能的重要性，荧光灯也越来越多地被用于住宅应用中。

传统的荧光灯镇流器设计采用的是电感镇流器，但现在正迅速转向采用电子镇流器以提高系统功效。事实上，像加州Title 24建筑节能标准等法规已经出台，以确保逐步淘汰低效电感镇流器的生产。

荧光灯镇流器至少必须调节灯泡的电流。根据工作状态的不同，灯泡的电阻变化幅度很大。荧光灯由一个充满少量水银蒸气和惰性气体的玻璃管组成。钨丝位于灯泡的两端。

在灯泡点亮之前，气体具有极高的阻抗。为启动灯泡，电流流过灯丝(而不是气体)，以便加热灯丝并开始放出电子。然后，对两个灯丝施加高电压以便在混合气体中点燃电弧。一旦电弧被点燃，混合气体的阻抗会由于雪崩效应而大幅下降。镇流器必须降低通过灯丝的电压以维持通过混合气体的正常电流。

谐振电路通常被用来控制开关模式镇流器应用的灯泡电流。将一个电感器和一个电容与灯泡串联(图3)。另一个电容连在灯丝的两端。

方波变频振荡器(VFO)通过一对与直流总线相连的功率晶体管驱动谐振电路。用一个无时间信号发生器为功率晶体管提供补偿信号，并确保击穿电流被消除。

VFO的频率可调节通过电灯的电流。为启动电灯，VFO输出的频率必须很高，使得电流流过灯丝和灯丝电容器C_F。这种高频操作会使灯丝发热，从而启动电灯。

对灯丝加热之后，VFO的频率变为较低频率。灯丝上的电压迅速上升并点燃电弧。当灯泡被点亮时，可以调整VFO的频率以获得不同的灯泡电流和光输出水平。

通常，整流器和滤波电容电路是电子镇流器电路中采用的第一个器件，用来将输入的交流电压转换成用于谐振转换器的直流电压。遗憾的是，这会导致镇流器仅在输入交流电压的峰值处消耗电流。在电子镇流器中必须采用功率因子校正(PFC)来提高频率并消除输入电流谐波。

在许多镇流器设计中，PFC、镇流器控制和外部控制功能都采用分离的IC。但是，数字信号控制器(DSC)可以用来实现一个完整的数字镇流器解决方案(图4)。这个电路采用dsPIC33F DSC，这是因为该控制器的16位CPU具有同时执行PFC、控制谐振变换器和必要时对外部控制信号作出响应所需的计算性能。

图4：可以用一个数字信号控制器实现一个完整的荧光灯镇流器解决方案。

描述PFC电路如何工作有很多种方法，但基本上可以这样描述：PFC电路试图使输入电流波形具有与输入电压相同的正弦曲线分布。实现PFC电路最通用的方法是采用升压电路。电感器电流可通过电感器开关信号的占空比进行控制，因此输入电流也是这样控制的。最终，经调整的交流电压被提升到一个较高值，通常在400V左右。因此，PFC电路实际上是一个升压调节器。电压调节功能可以通过数字控制回路轻松实现。

这个调节器有一些特殊的要求。该调节器利用内部电流控制回路来控制PFC电路的电感器中的电流分布。电压控制回路的输出提供一个命令给设定输入电流量的电流控制回路。在电流命令提供给电流控制回路之前，它与经过调整的输入电压样本混合在一起。这种混合操作迫使输入电流具有与输入电压相同的分布(图5)。

镇流器采用两个PWM通道来实现全数字镇流器解决方案。用一个PWM通道驱动一个与灯相连的半桥电路，另一个控制PFC升压电路。模数转换器(ADC)监视两个电压值和两个电流值。监视直流总线电压、交流输入电压和输入电流以实现PFC功能。监视电灯电流以控制灯的亮度并检测灯泡故障。

比例积分微分(PID)控制器被用于PFC算法中，以调整总线电压和输入电流。每个PID控制器(和PFC算法)的操作都可以通过更改软件来修改。DSC器件具有足够的CPU带宽来运行这些PID控制器。特别地，内部电流控制回路的运行频率将与升压电路开关上的PWM信号相同。通常在升压电路中采用100kHz或更高频率来保持电感器尺寸足够小。

利用与电源开关串联的简单分流电阻来测量电路电流。这可以降低电路成本，但需要做一些额外的工作来获取数据。分流电阻上的电压仅能表明PWM周期中某段时间的电路电流。因此，PWM时基自动触发ADC测量，从而确保分流电阻器在正确的时间被采样。

功率LED技术

世界上使用时间最长的灯泡到现在已经有105年历史了，它被安装在美国加利福尼亚州利弗莫尔市的一个消防站中。遗憾的是，大多数现代灯泡都无法像它一样使用这么久的时间。当使用寿命、功效和耐用性变得至关重要时，功率LED有了用武之地。

现今的功率LED技术可以提供可与荧光技术相媲美的功效值。此外，功率LED产业有望在未来几年内实现功效翻番。LED的使用寿命超过50,000小时，这在商业应用中具有很大的优势。

尽管LED在效率和使用寿命上具有极大优势，但白光LED的CRI可能非常低。许多白光LED发出带蓝色的白光；白光是通过用黄色磷光体覆盖蓝色或红外线发射器，从而将光变成理想波长而产生的。LED的最终色谱受发射器初始波长，以及磷光体如何通过可视光谱传播光能的限制。

功率LED的一个新兴应用是LCD视频显示背光。目前许多LCD面板设计都采用荧光技术来提供背光。LED技术可以通过使用独立的红、绿和蓝(RGB)发射器来改善LCD图像质量。采用独立的发射器可以更好地控制白光LED产生的色谱。在三种主成份颜色定义的范围内，可以产生任何一种颜色。

RGB LED允许LCD面板产生比一般的荧光设计范围更广的颜色。此外，还可以利用视频扫描功能调节LED开关状态。与其它照明技术相比，LED具有瞬时开关时间。扫描调制可使LCD面板产生更清晰的图像。

图6是一个用于LCD面板应用(甚至是一个普通照明应用)的RGB LED控制电路。恒流源必须驱动LED。当采用多个LED时，它们通常串行连接，以使每个LED上流过的电流相同。电流驱动级的选择将是对产生的光的数量、功效和可能的热限制之间的折衷。

图6：一个主动型RGB颜色控制应用的简化模块图。

用三个MCP1630开关器件来实现恒流驱动器。这些器件都是MCU外围设备，包含了SMPS控制回路所需的模拟元器件。MCU提供时钟信号来设定开关频率并限制最大占空比。可以在这个电路中实现降压或升压拓扑，这取决于所提供的输入电压和通过LED串的正向电压。

由于PIC18F1330 MCU具有三个14位PWM通道，因此在设计中选择了该器件。这些PWM通道被用来调整三个恒流驱动器的输出，并设定每种颜色的光密度。必需采用高PWM分辨率，以便获得在大范围亮度级别上精确的颜色控制。

LED的波长和光密度可以随着制造工艺、使用年限和驱动电流级的变化而变化。大多数背光应用都需要主动颜色控制来确保产生一致的颜色和亮度。用RGB传感器检测光输出的每个分量。用MCU或DSC校准传感器的输出，测定颜色误差量，并计算设定R、G和B分量水平的三个PID例程。

高效照明应用需要功率电路控制和智能功能。你可以同时将这两个功能与MCU或DSC集成在一起，从而降低电路复杂性并增加灵活性。

作者：Steve Bowling

Email: stephen.bowling@microchip.com

Microchip公司

来源：电子系统设计