微处理器提高新一代照明应用的能效

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        *微处理器提高新一代照明应用的能效

对于嵌入式开发人员来讲，实现LED照明应用就像编写“Hello World”程序一样。不过现在，微控制器对照明领域来讲，并不仅仅是控制输出这么简单。

荧光灯和高密度放电(HID)灯已经成为白炽灯极难应对的挑战。不过，白炽灯的功率要求和发热也进一步加快了它的衰退过程。紧凑型荧光灯(CFL)和LED灯带来了白炽灯在所有专用应用中寿终正寝的信号。

白炽灯拥有在过去一直难以打败的优势。它们的实现成本低，只需要电线、开关以及实现安全的保险丝或断路器即可。白炽灯可以在导通的一瞬间发光，在关断的一瞬间熄灭。

荧光灯和高密度放电灯需要一个灯与灯开关之间的更为复杂的系统。镇流器和启动电容是这些应用必不可少的替代成本。更高的效率和更长的灯泡使用寿命弥补了增加的成本和复杂性，但是它们仍然无法通过电子器件实现最佳效率。

电子镇流器再次增加了复杂性，不过由于具有更长的使用寿命和更低的功耗，从而降低了总成本。最初，电子镇流器采用模拟反馈和控制。不过微控制器可以更好地做到这一点，同时可以提供模拟技术无法实现的更多功能。增加LED和微控制器成了实现极高灵活性和超长使用寿命的灯的核心。

相对于微控制器向设计人员所提供的强大计算能力和连接能力来讲，如今的微控制器尺寸极小。而PC的尺寸一向都比较大。如今的微控制器芯片一边只有几毫米，而且具有更高的处理能力和高级模拟接口。

尽管典型的通用微控制器拥有足够的处理能力和接口支持，可以满足诸多照明应用的要求，不过许多微控制器仍然针对电源管理和照明应用进行了优化。针对马达控制和电源控制等其它电源管理任务而设计的许多平台也可以同样地满足照明应用的要求。

微处理器正在改变照明应用的所有三个领域：灯泡替换、标准照明和嵌入式照明。最明显的领域是灯泡替换领域。由于设计人员拥有了极高的灵活性，不再受到外形尺寸和电源的限制，因此标准照明市场出现了相当多的创新。最后是面向液晶屏LED背光等应用的嵌入式照明市场。

灯泡替换市场

螺口灯泡往往适合用于新型CFL灯(图1)和LED灯(图2)最流行的改装应用，而LED(图3)也正在过去荧光灯的应用领域中找到了一席之地。由于外形尺寸的限制和电源问题，这两种灯泡面临着同样的挑战。螺口安装应用普遍存在发热问题。不过微控制器可以给这些替代应用提供极大的优势。

图2：LED替代方案具有各种不同的外形尺寸。挑战往往是如何进行LED布局才能提供原有的照明特性。

图3：荧光灯的LED替代方案还涉及去掉镇流器。LED灯管一般与电源直接相连。

请记住，微处理器近来往往是系统中最小的元器件之一，与电容和其它器件相比，微处理器的尺寸一般要小得多。同样，除了提供实现各种功能所需的足够I/O之外，其功能几乎不会受到封装尺寸的限制。简单的任务可能需要几个引脚，比较复杂的照明任务则需要更多引脚。

根据所支持的照明技术、设计复杂性以及支持硬件的成本和数量，要求可能有很大不同。CFL灯需要单个灯管的控制，而大多数应用都需要多个LED。

这一市场的基本组成包括开/关灯和调光灯。开/关灯一般没有微处理器，不过微处理器可以为设计人员提供优势。由于一般都存在灯泡使用寿命与达到全光照亮度的速度的折衷，因此这些优势一般都包括可以为CFL灯提供更优的开关电源时序。

模拟技术往往会让CFL灯内部所需的电弧在初始启动耗费大量功率。这对于大多数微控制器来讲是小事一桩，复杂的定时程序在处理更多一点的工作时，通常会将几乎空闲的微处理器变成一款略显无聊的芯片，除非它同时也进行先进的功率因数校正。

其它调光产品的挑战在于能否实现不同的调光策略。一般的调光器采用可控硅对传送到灯的交流电流进行微调。这里的问题在于，实现这一点的方式会随不同的供应商，甚至同一个产品线的不同产品而有所不同。如果受控器件是单个灯丝灯泡，由于这种灯泡的照明响应特性，产生的影响会很小或者根本没有影响。

问题是数字照明解决方案正在尝试采用输入电源供电，经过转换后，以供照明子系统高效地利用。可以采用模拟解决方案，不过许多灯泡都被退回了，因为它们无法处理这个领域内所有可能的调光器开关。

数字照明设计人员的挑战是构建一个能够识别系统状态，并且可对进入灯泡的非理想正弦波作出响应的系统。这个问题并不像想像中的那么简单，因为新型数字照明的响应曲线需与其替代的白炽灯的响应曲线相似。白炽灯用来发光的功率至少为其额定功率的15%，线性灯响应需要指数功率曲线。

从某种意义上讲，新技术正在以舞台照明和众多其它的先进产品为标准进行开发。在这些系统中，由于总体工作的非线性度极高，因此可以将用来处理这些关系所增加的成本以及人眼对光的响应考虑在内。

箝制输入电压与光输出的关系需要将这些因素与替代技术的特征融合在一起考虑。CFL灯与LED灯的这些特征可能有所不同。所需的电源数量一般不是问题，不过正确地控制电源就可能就成问题了。

由于LED具有高效率和长使用寿命，因此LED也正在替代改装市场中的荧光灯。LED灯的使用寿命一般至少为荧光灯的5倍，而功耗则只有荧光灯功耗的一半左右。此外还有一个灯管退化方式的问题。由于LED灯是由许多独立的LED组成的，因此LED灯会逐渐出现故障。不过，如果电子控制器件出现故障的话，则会导致整个灯泡出现故障。

与螺口安装替换应用相比，更改为LED灯管要稍微复杂一些，因为生产具有荧光灯管电气特性的LED灯管的成本相当高。LED灯管需采用低压直流电源供电，而荧光灯管则需要较高电压的交流电源供电。荧光灯管镇流器实际上是现在的限幅器，因为这种灯管的电阻会在流经灯管的电流增加时下降。不过以后更多地是用作镇流器。

设计人员可以替换或去掉普通的T8和T12等LED灯管的镇流器和开关。新型LED灯管必须具有与螺口安装更换灯相同的功能，不过外形尺寸大有不同。最普遍的方法是用电源控制单元替换镇流器，并将交流电线直接连至灯管。

替换镇流器的结果是需要采用必须与控制单元匹配的稍微便宜一点的灯管。在连接交流电线时，电源控制单元是包含在灯管内部的。由于灯管一般由一个大电路板组成，这个电路板的一面是LED，另一面用于容纳电子器件，因此电子器件有相当大的空间。

这两种方法都需要改变灯具内部的布线。此外，这些灯具也看起来像荧光灯灯具，不过它们只能与LED灯管一起使用。LED灯管与相同尺寸的荧光灯管的差别在外表上看非常明显。遗憾的是，如果灯具与灯管不配的话，灯是不会发光的，而且在某些情况下可能会造成严重的毁坏。

集成式LED灯管很容易安装，只需切断镇流器上的电线，然后将电源线重新连接到灯座。这个过程只需要剥线钳和一些丝螺母。一般会将镇流器保留在原来的位置，因为不需要空间，并且这样做只会方便处置。此外，这样可以非常方便地再变成荧光灯管。

螺口安装LED灯泡和灯管的唯一区别在于外形尺寸。由于现在涉及到电路板设计，因此这可以简化设计问题。灯管可能包含用于所有LED串的单个控制器或者多个控制器。

由于成本是一个极为重要的因素，并且数量相当大，因此定制技术在改装市场中的批量解决方案中占主导地位。几十亿个灯泡可以转化成很多硬件。

镇流器变化

过渡到LED灯管可以带来相当大的优势，特别是在更换灯管的成本高于灯管本身的成本的应用中。然而，前期费用通常会让许多设计人员在考虑更换时望而却步，如果单个灯泡的使用寿命超出了灯泡所应用的环境的使用期限就更加不会考虑了。

各种结构的电子镇流器的出现已有一段时间。不过，与传统镇流器相比，基于微处理器的方案可以提高性能，延长使用寿命。尤其是这些方案可以提供功率因数校正。

在镇流器中加入微处理器可以带来一些面向高端用户的极有吸引力的选择方案。增加有线或无线通信成了一个简单的嵌入式开发项目。通信可以提供两个重要功能。

首先，可以实现灯的网络控制，灯开关只是网络中的另一个节点。其次，通信可以提供反馈，这样系统就可以感测各种不同的信息，比如灯是否是导通状态、灯是否可以工作、可能的功耗以及温度和湿度等环境数据。

镇流器是与包括荧光灯在内的HID灯一起使用的，但是HID灯普遍应用于各种应用领域中。例如，金属卤化物HID灯已经应用到汽车大灯中。豪华汽车和汽车增值配件中就有氙气大灯(图4)。

这些领域涉及的镇流器和灯的问题还包括灯光颜色以及它如何随着时间的推移而发生变化。具有环境温度等额外反馈的更加智能的镇流器可以实现更优的系统控制。HID灯在街灯中也非常普遍。这些灯一般都需要遥控，集成通信和功率控制系统有许多优势。

设计人员已经开始利用HID灯，不过LED凭借其低功率要求也在不断地应用到这些领域中。不过HID灯往往会由于亮度而胜出一筹。这也是HID灯仍领衔汽车大灯应用的原因之一，不过LED灯正在大举进军其它车灯应用领域。

另一方面，用于轻便摩托车头灯的LED灯往往会由于它们采用电池供电且续航时间长而胜出一筹。整个部件的尺寸也比较小。LED灯尺寸小，可以安装到几乎所有的位置，这些优势催生了一些极有吸引力的应用。

什么样的微处理器可用在照明应用中

微处理器在照明应用中的应用范围非常广泛，由于涉及的变量个数以及芯片和外设的架构，即使在特定的应用中也很难判断哪一种微处理器最好。许多应用可以采用8位和16位微处理器，特别是在注重低成本和小尺寸的应用中。

此外，在涉及通信时采用16位和32位微处理器往往更为合适，不过这取决于将采用哪一种通信以及它们的工作速率。数字可寻址照明接口(DALI)等许多标准的运行速率都为1200波特率，并在该速率下采用半双工数据传输。任何8位平台甚至都可以bit-bang这种协议，并且仍会剩余几个周期。

在选型过程中，外设要求往往更令人感兴趣。这些要求还是取决于具体的应用，可能需要模拟传感器和模数转换器(ADC)或脉宽调制器(PWM)输出。

大多数微处理器中的标准PWM都可以满足许多照明任务的要求。不过，像马达控制一样，一些应用可能会受益于专用的功能。采用PWM时，部分照明要求与马达控制的要求会有所不同。

马达控制PWM可以提供各种有用的功能，比如包含同步PWM输出之间的死区时间的能力，通过连接的MOSFET防止开关问题等。此外，一些微处理器还可以通过皮秒级精度调谐上升或下降边沿(虽然整体时序特性可能采用16位计数器)。

照明PWM要求有时候也需要处理外部硬件问题。例如，PWM流经常用来近似计算正弦信号或者驱动音频放大器。照明领域的问题在于谐振频率，它可能会导致硬件以次优模式工作，造成CFL灯出现闪烁变效应。

解决这个问题的一个方法是在方程式中引入一些随机性。一些微处理器具有PWM，可以通过伪随机或表驱动的值切换PWM流。通过在硬件中包含这种支持，可使低端微处理器提供该功能。

PWM支持是大多数照明控制的关键。即使在其它技术功耗更高或者提供的功能更少时也采用这种支持。例如，LED甚至也可以提供可以利用的非线性性能。在许多情况下，实现最大亮度需要采用大电流恒流源。

而适合的PWM流可以做同样的事情。CRT在其荧光点进行脉冲调节时采用同样的方法。类似的调节方法会影响光色和电源要求等其它特性，具体取决于受控制的器件。采用这种方法有时候可以实现更精细的控制或可以节能。即使是很少的节能也可以积少成多。

单个微处理器可以控制一个器件，比如CFL灯或多个LED串。这对于壁橱照明应用来讲已经足够了，不过通常情况下都是多个灯和灯座的组合。这就是多个微处理器的用武之地，这样通信问题就出现了。

照明和通信

像照明控制一样，照明通信具有各种特点，可以满足具有成本等不同要求的各种应用的要求。面向不同的应用提供无线或有线控制。

现在，由于照明控制方便实现通信支持，因此增加微处理器。此外它还可以显著简化展馆照明和数字标牌等应用。家庭和商业照明控制也是许多环保倡议行动的一部分。

这样就比较方便。几十年来，电力线通信(PLC)和控制一直可以通过X10系统提供，Smarthome公司的Insteon等新型系统可以提供双向通信(请参见electronicdesign.com网站上的“X-10 Broadcast Power-Control Protocol Gets Major Overhaul”一文)。

成本和可配置性一直是这些系统所面临的挑战。兼容性或者至少与其它PLC系统的共存能力则是比较普遍的问题。PLC可以用在能源监控到计算机网络等所有领域。

正如上文所述，即使是市场上最小的微处理器也可以轻松地实现DALI标准，该标准可以采用微处理器自有的有线对连接多达64个器件。DALI还可为连接器件组提供网关协议，并且可以处理调光任务。IEC 60929标准针对荧光灯镇流器采用DALI。

DMX(DMX512-A的缩写)是针对剧场和同类场所的幕后工作的灯光控制数据传输协议。这是一个用于照明控制器的娱乐服务技术协会(ESTA)标准。它还适用于控制处理剧场演出所需的炫丽灯光板等控制台。而且DMX还可以用于建筑照明和主题公园等各种其它应用。

DMX基于EIA-485差分串行接口，这种接口是大多数具有UART的微处理器可以轻松实现的另一个协议。像DALI和许多可处理32位器件的其它协议一样，它是一种多站主从总线技术。该总线的传输距离长达3900英尺，采用扩展器或网关时传输距离还可以增加。

有一种名为DMX Universe的网络。该网络的通信速率为250千波特率。DMX往往是以太网这样的网络技术的首选，因为它的光缆系统非常鲁棒。DMX协议已经扩展到无线领域。

有线专有系统非常之多。也有无线领域的专有解决方案，不过有两种领先的无线协议可以处理照明任务：ZigBee和Z-Wave。这两种协议都广泛用于以照明作为主要任务之一的各种消费、商业和工业应用中。采用PLC时，会出现无线冲突的问题(请参见electronicdesign.com网站上的“Short-Range WirelessUSB Could Give ZigBee Fits”一文)。

Z-Wave基于其自身的源路由网状网络技术(请参见electronicdesign.com网站上的“Wireless Technology Leads The HAN Push For The Smart Grid”一文)。它是一个传输范围在100英尺左右、带宽高达40kbps的低功耗解决方案。采用大型网络所需的网关时，单个网络可以控制多达232个设备。

ZigBee基于802.15.4，包括家庭控制照明(HCL)配置文件(请参见electronicdesign.com网站上的“Ultra-Low-Power Wi-Fi Module Targets Industrial And Sensor Network Applications”一文)。该标准还包括商业楼宇自动化(CBA)和工业厂房监控(IPM)配置文件。由于ZigBee可以满足除照明和环境控制之外的各种应用的要求，因此它还有大量其它配置文件。

ZigBee和802.15.4在10米左右的传输距离内运行速率可高达250kbps。与Z-Wave一样，这两种标准也有带宽、功耗和传输距离之间的折衷。ZigBee和802.15.4可以实现网状网。节点可以是全功能设备(FFD)，也可以是精简功能设备(RFD)。FFD可以通过网状网路由信息，RFD针对极低功耗和极低资源的平台而设计，同时将路由工作留给附近的FFD。

许多照明应用都不需要ZigBee支持，但是可能会采用802.15.4。这些应用可以方便地与ZigBee共存，不过它们一般不会直接进行交互。

DALI和DMX等有线协议需要较低性能的节点，并且不涉及任何安全问题。另一方面，无线协议在工作时往往更加公开，因此安全性是一个已经得到解决的问题。

大多数无线协议至少包括加密和安全认证选择方案。这不仅从安全的角度来讲是非常关键的，从与相邻无线网络的自然交互角度来讲也是至关重要的。这种交互可以轻松地在公寓或家庭环境以及街边购物场所中发生。

当然，将这些有线和无线控制网络连接到局域网(LAN)或互联网也是司空见惯的事情。据说有一种针对这种连接的应用，这种应用可以让用户通过Android智能手机、苹果iPhone手机甚至苹果iPad或摩托罗拉Xoom等平板电脑控制灯和其它设备。

微控制器工具包和参考设计

照明开发工具包和参考设计与马达控制解决方案类似。这种工具包和参考设计有很多，各针对各种不同的应用。微控制器供应商也提供这种工具包和参考设计。

微芯公司(Microchip)的数字LED照明开发工具包(图5)提供一个16位dsPIC33数字信号控制器，该控制器可以处理包括功率因数校正(PFC)在内的电源管理任务。不同的插件模块突出LED支持。

图5：微芯公司的数字LED照明开发工具包提供一个16位dsPIC33数字信号控制器，该控制器可以处理从镇流器控制到功率因数校正(PFC)等所有电源管理任务。

恩智浦半导体(NXP)在其DALI模块中整合了一个32位Arm Cortex微控制器，该模块支持一个定时器/捕捉接口。它还可以处理六路照明控制输出。DALI协议堆栈支持四路PWM输出。

意法半导体(ST)也在DALI平台中采用了ARM微控制器。除了照明控制支持之外，其基于Cortex-M3的STM32微控制器还提供各种通信选择方案。意法半导体公司还拥有专门面向HID应用的带外设的ST7微控制器系列以及另外一个专门面向CFL应用的产品系列。

赛普拉斯半导体公司(Cypress)的可编程系统级芯片(PSoC)可配置微控制器是照明应用的理想选择。Cypress CY3268 PowerPSoC照明入门工具包可用来处理芯片驱动的高亮度LED。有一种特别的PowerPSoC嵌入式电源控制器可以驱动多达四个1-A/32-V独立通道。PSoC微处理器在DALI和DMX设备中也得到了广泛的应用。

德州仪器(TI)拥有三个产品系列，可满足各种照明应用的需求。16位MSP-430适合处理低端LED任务。基于Arm Cortex的Stellaris系列适用于以通信为主的应用。设计人员可以在需要复杂的实时计算的应用中采用C2000。

C2000包括控制律加速器(CLA)，这是一个可以通过与主要处理内核结合或者独立处理电源管理和马达控制任务的协处理器(请参见electronicdesign.com上的“普通律加速器为DSP减负”一文)。该器件一般用于HID和CFL应用以及高端LED应用中。