开发高能效 LED 照明控制系统

根据美国能源部所述，到 2030 年 LED 将占所有照明产品销售的 75%。 不言自明，为什么 LED 比白炽灯和紧凑型荧光灯（CFL）有很大优势，主要一点就是功耗降低了 80％ 以上。

由于它们通过热辐射损失的能量较少，因此寿命也得到了改善。 尺寸是另一个因素。 LED 比传统照明解决方案小得多，允许它们用于更多的应用领域，例如汽车。 高输出功率 LED 照明也正在进入工业应用。

开发照明应用需要电源管理方面的专业知识。 许多 LED 照明应用也将比它们的前代产品更加智能，人们能够使用有线或无线协议作为更大的照明网络的一部分来对它进行远程控制。 加入这一个级别的“智能”将需要嵌入式软件开发和微控制器。 现在有新的解决方案可以将所有这些要素组合在一起。

与近年一直被取代的传统白炽灯泡和更高能效的紧凑型荧光灯都不同，LED 需要稳定的直流电源才实现最佳的工作状态。 这不可避免地要使用到从主电网获取电能的整流 AC 电源。 虽然这可能使得它们比现有的解决方案变得稍复杂一些，但是在能源效率和使用寿命方面获得的好处，通常会远超过任何初始安装费用。

正是因为有这些好处，转向 LED 照明已成为一个普遍趋势，也许最明显的变化就发生在工业领域。 然而，LED 的适用性绝不限于商业领域，其应用的多样性也在不断增加。 汽车行业可能是最新的例子，但在建筑照明领域的应用越来越普及，并且针对一般消费者和住家的解决方案也层出不穷。

市场上出现了各类 LED 照明灯具的大量变型产品，并提供了各种各样的控制方法。 但是，基本上来说，LED 在电源和驱动器电路方面具有特定要求，半导体行业为响应于这一增长的需求，现在正在处理这两个方面的需求。

目前主要有两种方法来产生和提供驱动 LED 所需的直流电流。 第一种方法采用恒流、恒压方法，将交流电源转换为直流电并直接施加到 LED 上。 第二种是使用分布式方法，使用从 AC 输入转换出的初级稳压 DC 电源，为多个后续 DC-DC 转换器供电，以向 LED 提供稳压电源。

这一拓扑技术的其它重要方面包括：AC 和 DC 元件之间的电流隔离，确保高转换效率，增加功率因数校正以符合法规，以及电路保护（过/欠压，短路）。

可调光 LED

LED 照明的另一个重要方面就是，能够调整输出，以满足各种要求。 通过改变施加的功率就可实现 LED 光线调节，这可以通过连续（模拟）方式或不连续（数字）方式减小驱动电流来实现。 对于 LED 在电源电流范围内将呈现的非线性输出来说，就要实现模拟方法，而如果要提供最佳的恒定电流，则需要使用通常采用脉冲宽度调制（PWM）的数字方式。

ON Semiconductor 提供的 NCL30186 就是一个能够同时采用这两种调光方式的 LED 驱动器实例，同时还能以高转换效率提供 PFC。 这是一个针对离线 LED 照明解决方案优化的 PFC 升压控制器和准谐振控制器的组合。 图 1 所示为使用 NCL30186 的典型应用示例的原理图。

图 1：使用 ON Semiconductor 的 NCL30186 的典型离线 LED 照明解决方案。

基于微控制器的通用器件也针对这种应用领域，例如 Microchip Technology 的 PIC12HV752。 这种低成本的 8 引脚器件集成了许多外设，因此成为电源转换应用和 LED 驱动电路的理想选择。 具体外设包括互补输出发生器（COG）和硬件限制定时器（HLT）。 当使用 PIC12HV752 构建 TRIAC 可调光 LED 驱动器时，这两种外设都会发挥作用，如图 2 所示。

图 2：Microchip 的低成本 8 位 PIC12HV752 MCU 包括了许多针对电源转换和 LED 控制的外设。

COG 提供 PWM 信号来驱动 MOSFET，其上升沿受 HLT 控制。 初级侧控制通过前馈方法以及峰值电流模式控制来实现 PFC。

该器件还集成了 DAC、ADC 和比较器。 创建应用所需的固件相对简单，主要集中在外设的初始化。

联网照明

与今天的许多东西一样，电灯也变得“更智能”。 事实上，专业照明设备已经智能了一段时间，使用 DALI 协议来集中控制分布式灯具。 同样的技术现在已用于 LED 照明，且获取了很好的效果。

DALI 是数字可寻址照明接口的英文缩写，标准化后为 IEC-62386。 它主要用于为电子镇流器提供远程接口，并且因此可以用于控制 LED、荧光灯、水银灯和其它电子放电灯。

随着微控制器加入，这为 LED 驱动器解决方案开发提供了更大的灵活性，甚至有些制造商进一步为该应用领域提供专用 MCU 系列，并藉此机会增加应用特定的接口，例如 DALI。

例如， STMicroelectronics 推出的 STLUX 系列就是一个专用于照明和电源转换的产品系列。 典型应用如图 3 所示。

图 3：STMicroelectronics 的 STLUX 系列器件具有专用的且可配置的状态机，目标针对像电源转换之类时间关键型应用，包括 LED 控制。

STLUX385A 具有 DALI 模块，但是真正将设备与其他设备区分开的是它实现了专用的和自主的状态机，用来控制六个分辨率达 1.3 ns 的独立 PWM 输出。

状态机也称 SMED（State Machine, Event Driven/状态机，事件驱动型）。 SMED 使用集成微控制器进行配置。 一经配置，SMED 即具有低至 10.4 ns 的反应时间，因此适合用于时间关键型操作。 SMED 在运行期间具有四种状态，增加了 IDLE 和 HOLD 状态。 四个状态中的每一个都是可配置的，开发人员可以定义哪个系统事件由每个状态之间的转换来触发。 PWM 输出电平可以在转换期间更新。

STLUX 系列中有的器件具有多达 6 个 SMED，每个 SMED 都独立工作，但它们可以进行分组，组成更强大的状态机。 这种集成式微控制器采用 STM8 CISC 内核，具有 21 个内部寄存器、20 个寻址模式和 80 个指令。

总体解决方案

人们越来越要将电源管理和连接能力集成到单一成熟的解决方案中。 这促使半导体制造商投资推出包含许多其产品的参考设计解决方案。 100W、0.1% 可调光 DC-DC LED 驱动器就是这种设计中的一个，其中包含 Texas Instruments 推出的太阳能收集和无线连接设计。

如图 4 所示，该设计含有大量 TI 的产品，最明显的就是 TPS92640/41 LED 照明驱动器和 CC2650 多标准 2.4 GHz 无线 MCU。 最终设计能够使用基于模拟或 PWM 的强度调节功能来控制高功率、高效率可调光 LED 灯具。 此外，由于采用了无线 MCU，因此它能够提供对低功率无线接口的控制。

图 4 ：TI 的这款参考设计包含大量特别针对一般功率转换和 LED 控制的器件。

高压侧和低压侧栅极驱动器之间的空载时间已经过优化，可在宽输入工作电压和输出功率范围内实现最高效率。

CC2650 是一款双核器件，采用 ARM® Cortex®-M3 处理器作为其主 CPU，使用 ARM Cortex-M0 处理器来管理器件的 RF 内核。 BLE 控制器和 IEEE 802.15.4 MAC 的固件嵌入在器件的 ROM 中，并在 ARM Cortex-M0 处理器上部分执行。 这样就实现了更高的系统级效率，并可确保闪存用于高级应用软件。

PWM 和模拟调光信号源都可以由 CC2650 产生，具体取决于应用的要求。 随着数字环境光传感器的加入，应用能够监视恒定的流明输出，并根据存在的自然日光量进行调整，从而实现进一步节能。

结论

LED 照明已经实现了其显著降低成本和节省能耗的潜力。 可以说其应用将继续深入下去，但有些人认为，它仍然面临完全渗透消费市场的挑战。

最常见的问题是，由于对光质量不确定和对安装成本的担心而反对在家中使用它。 通过进一步技术开发和持续引进更先进、集成度更高的解决方案，相信这两个问题都将会成功得到解决。

现在进入 LED 市场的公司的潜在收益都可能会增加，因为未来几年的需求必然会增长下去。 减少温室气体排放的全球目标将促进一需求的增长，而且除了全球环境效益，消费者现在可以获得即时收益，包括更好地控制自己的环境。