作者：Patrick Garner，德州仪器 C2000™ 微控制器及照明应用市场营销经理

随着照明行业持续向 LED 技术转型，对高智能控制器与驱动器的需求也日渐提升。加之，电力价格的上扬也为消费者及企业带来高额的运营成本。不过 LED 的高效工作却可显著降低成本。许多应用在运行高级控制功能时需要产生高度一致的光质，例如调光、平衡以及精确色彩混合等。此外，远程连接也正在成为各种应用的常规需求，其可通过只有在真正需要现场处理时才向技术人员发出维护请求的自我诊断功能来降低高昂的维护费用。

将智能功能引入大量 的LED 照明应用可能需要将功能 固定的LED 驱动器转换为微控制器的架构或可编程架构。对于需要高级功能的应用，使用微控制器可实现大量智能特性，比如本机调光控制、专用色彩混合、自适应照明控制以及远程连接等。专用电源电子微控制器除提供照明控制与通信功能之外，还可高效低照明设备的成本，从而可进一步改善照明应用。和众多现代电子产品的趋势一样，使用数字控制可提高照明产品的灵活性，并为其带来更高级别的智能性与差异化服务。

基于微控制器的架构支持智能 LED 平台

照明行业的持续发展，也为充分发挥 LED 技术诸多优势提供了条件。不过，不同类型的 LED 照明应用在其需要支持的功能方面有显著的差异：

• 住宅：应用包括灯泡更换、局部照明以及小型户外照明。一般只需点亮少量 LED，通常 1 到 2 串。迫于该市场的低成本压力，高级控制功能并不广泛；

• 商业：应用包括日光灯镇流器、灯泡更换以及局部照明。通常只需要1到2串的少量LED。该市场虽然很关注成本，但也非常注重能源问题。因此高端应用在该市场将需要远程连接以及一些控制器智能性；

• 娱乐：应用包括高端显示及意境照明。全面的亮度控制与一致的色彩质量非常重要，因为需要远程连接以及支持 DALI 或 DMX-512 等行业标准协议；

• 户外与基础设施：应用包括街道照明、工厂照明以及大型办公楼照明等。设备一般有大量的 LED，而且必须灯串的支持。高亮度 LED 也很常见。这些应用需要远程连接以及高级别的控制器智能性。

最简单的 LED 照明系统使用一个 LED 驱动器。这些一般为固定功能的器件，可为控制 LED 提供简单直接的低成本方法。它们通常具有良好的电源效率，并且无需软件编程。开发人员在选择驱动器或测定板级组件的配置值时，最多只需进行几次计算。

虽然使用方法简单直接，但许多 LED 驱动器缺乏支持更高级系统的灵活性。要支持各种类型的 LED（比如更高功率或不同色彩）或不同的 LED 串配置，可能需要不同的解决方案。实际上，系统的任何变化（比如串中的 LED 数或串数）都可能导致驱动器的更换。因此， OEM 厂商提供的大多数照明产品将很有可能需要独特的模拟驱动器。对于庞大的产品组合而言，这会增加 OEM 厂商或其他供应商必须仓储的存货项目数量，从而可能会导致经济规模缩减，设备成本上升。

另一方面，智能控制器可为开发人员带来创建更多高灵活性照明系统的潜力。在基于微控制器的系统中，可配置代码来支持不同类型的 LED、独特的功率级需求、不同的串长以及不同的串数并无需大幅调整硬件。这种系统甚至可设计为自动检测需要驱动的 LED。微控制器系统的可编程属性甚至可以支持高级调光及调度功能，以及实现更高级的照明场景控制与自动照明。

数字控制的高灵活性可帮助 OEM 厂商设计出能够驱动大量终端产品的统一驱动器。由于控制器 IP 可重复使用，因而设计投入也可大幅削减。高灵活性的驱动器不但可降低需要库存的器件存货数量，而且还可通过扩大经济规模来降低整体系统成本。

通过数字控制实现集成

智能 LED 照明系统的基本架构包括三大环节：电源转换、LED 控制以及通信（见图 1）。电源转换环节可为 LED 提供校正的电压及电流。开始是 AC/DC 整流，然后进行功率因数校正 环节(PFC)，接着是一个或多个并行 DC/DC 转换环节。要实现高效率电源转换，需要对这些转换环节进行精确而灵活的控制。

每个主要环节都需要智能控制器来保持其高效率与高功能性。采用固定功能模拟方法，可能需要独立的 PFC、DC/DC、LED 以及通信控制器。

然而，采用专用电源电子控制器，还可通过高集成度降低照明设备的电源组件成本。单个控制器具有充足的性能、电源优化外设以及通信端口，并可控制照明系统的三大环节：电源环节、LED 照明控制以及通信。在这类集成水平上，照明系统可去除大量多余的组件，并帮助中心编程平台顺畅地控制智能照明系统的所有三大环节。

电源的数字控制还能够为动态系统实现更高的转换效率。虽然与传统照明光源相比，LED 能够显著提高效率，降低工作与能源成本，但不是所有基于 LED 的系统在这方面都是一致的。数字电源控制可在以任何方式调光、改变色彩输出或调整输出光源的时候，为 LED 照明系统的电源环节实现更高的效率。与此类似，在固定照明条件下，微控制器还可通过实现更高级的功率级设计，提高工作效率。这种效率提升对终端客户具有极大的吸引力，当两个LED在其他方面旗鼓相当时，这一点他们之间的重要的分水岭。

试想某城市计划更换 2,000 盏街灯，对两种效率相差 10% 的型号进行比较（见图 2）。需要的是效率较高系统的输入功率是 178W，而效率较低的系统则需要输入 200W 才能产生相同的 160W 出入光源。单凭电源功率效率对本示例而言，大概可节省 10% 的额外能源，即每年可节省 33,726 美元的能源成本。并且值得注意的是这些节省还在 LED 系统本身带来的节省之外。

智能性的优势：质量、效率与成本

对包括商用显示屏与娱乐照明在内的众多应用而言，所产生的光的质量非常重要。质量在本示例中是主要指能够输出一致的亮度和色彩。但是影响 LED 性能的三大因素则是制造差异、温度与老化。

LED 输出在不同批次间有显著变化。单个设备质量的一致性可通过使用相同批次的 LED 得到维护。但相同产品线中使用不同批次 LED 的设备可能会因制造差异而造成光源质量的不同。当 2 个这样的设备互相靠近安装时，可能会产生显而易见而又无法接受的光源质量差异。系统可使用智能控制器进行校准，补偿所有偏差。由于这是在软件中完成的，在要求产品间的一致性时，校准流程可在制造过程中优化。

随着环境温度的变化，LED 的输出也会改变。要对此进行补偿，系统需要使用传感器感测环境温度。微控制器需要能够读取传感器，并相应地调整 LED 驱动器，从而动态校正色彩与亮度。由于温度只需定期检查，因此该功能开销较低。此外，它还可帮助系统监控其自身的安全工作。如果 LED 的温度超过特定阈值，照明控制器可降低亮度或关闭灯串，同时将该问题远程通知给操作人员。高热会使 LED 提前老化，降低其输出光源的能力。因此确保 LED 不超过特定温度，可延长 LED 使用寿命。

光照质量也会随 LED 老化受到影响，导致色彩特性差异。例如，红色 LED 的老化速度比蓝色 LED 快，特定功率输出或脉宽调制 (PWM) 频率产生的色彩会随时间变化而变化。智能控制器可对老化进行计算，校正色彩特性，从而在整个 LED 系统使用寿命中保持一致的照明。

此外，管理光源质量的技术还可同时改善安全性与效率。例如可通过光照来与环境光协调。在有暴风雨的天气下，街灯可部分设置为提前点亮。同样，如果环境光照强度大，可将光照强度调低，节省电源。

随着各种传感器和远程连接功能的出现，安全性与效率可得到进一步的提高。例如，交通灯或特定街灯的传感器可用于监测深夜交通状况。如果交通变得异常繁忙，可 网络点亮比正常条件下数量更多的灯。

智能 LED 控制器不仅仅只能提供更高的光质量，并且能够提供诸如调光或色彩混合等附加功能。通过考虑灯的使用方式，单个灯具可在不需要全亮度的时候关闭或调暗。例如，在仓库中工作人员可能零星地使用不同区域。使用占用传感器，就可只照明目前正在使用的场所。如果场地在任何时候都只使用 50%，其余照明灯可以关闭从而节省 了50% 的能源。

再看图 2 的街灯实例。在深夜的时候，由于交通流量降低，许多街灯可不用在全亮度下亮着。如果将动作传感器与通信网络搭配使用，可以动态开关街灯，满足实际交通需求。如果街灯可关闭 25% 的时间（见图 3），就可节省 25% 的能源（68,218 美元）。在本示例中，将电源效率提升带来的节能与智能工作带来的节能相加，每年的系统总节能数将非常可观，约 33%，合 101,844 美元。

通过远程连接提高效率

远程连接是智能照明系统中的关键功能。智能设备可自动管理其运行的部分环节，以提高工作效率和光照质量。但是，如果设备不能与中央控制器通信，这种智能功能就必须预先编程，而且只能最大化单件设备的效率。

设备的运行可通过与照明系统中的各个组件联网，从而在整个设施中进行协调。这样可以实现全新的功能，包括远程调光、远程关闭以及应急控制等。例如，操作人员可从中央位置调节整个设施灯光照明的亮度，不必一盏一盏地调节。

为实现最大功能，每个组件都不仅能够接收信息，还能够将信息发回给操作人员。这样照明设备就可执行简单的自我诊断功能来发现问题，比如是否有 LED 烧毁或是否工作在最低质量阈值下，并提醒操作人员启动任何必要的维护措施。设备可从远程检查，不必按照定期维护安排派出技术人员来确保设备正常运行。只有在出现确实需要维护的问题时，才派出技术人员，这与 LED 使用寿命延长相结合，不但可节省大量的维护成本，而且还可及时发现故障，提高运行安全性。

此外，远程控制还可实现如显著影响工作效率与成本的其它高级功能。远程控制不但可实现灯光的动态控制，而且还可让多个照明设施联网至与实际设施可能相距很远的统一控制点。例如，街灯可能需要根据白天时长进行调整，节省照明时间。不必派技术人员去每个控制箱，可以远程修改系统中全部街灯的照明时间安排。此外，这还可帮助操作人员将计划外的变化轻松纳入日程，比如需要在深夜结束的运动赛事后提供道路照明，或是在旺季让工厂中的灯长亮。远程控制还支持在紧急情况下直接控制灯光，可用于提高安全性。

智能照明对商业及工业设施更加有利的特性之一是能够准确地跟踪用电。例如市政惯例上为街灯照明支付固定的电费。实际消耗的电力可使用智能照明控制器测量，并发送至中心位置，确保市政不会为多于实际使用的电力支付电费，从而可大幅节省工作成本。

实际使用的数据日志可帮助操作人员改进关于工作成本、维护资源与未来投资的规划。此外，它还可运行更加高级的预测诊断功能。例如，如果能耗增加或者需要更换的灯泡数量动态变化，这可提醒操作人员注意潜在的问题，尽快予以解决，避免导致工作成本和维护成本上升。

此外，连接功能对众多照明系统而言也很重要，特别是娱乐应用。该市场有许多现行通信标准，包括 DALI、DMX-512 以及 KNX，而能够支持这些协议的设备会更具竞争优势。

电力线通信 (PLC)

电力线通信 (PLC)是照明应用中的一项重要技术。PLC 不必使用独立的线缆作为通信链路，工程师能够通过用来为设备供电的相同线路对设备进行联网。对于不需要全面 PLC 特性集的应用，开发人员可实施 PLC-Lite。PLC-Lite 是 PLC 的一种高灵活替代技术，可通过其简洁性、更低的协议开销以及更低的数据速率，能够显著降低在G3 或 PRIME 等 比PLC更复杂变体的每链路实施中成本。

由于它不是一项固定标准，因此开发人员可利用 PLC-Lite 的高灵活性，根据具体的通道特性来优化具体的实施，从而可在线路干扰需要特别处理的环境中提高链路可靠性。PLC-Lite 非常适合需要低成本及高稳健通信通道的应用，如家庭网络中简单的灯泡或者墙壁开关等。

开发人员还可使用射频 (RF) 技术无线连接设备。设备可通过模块化架构，使用任何一款最能满足客户需求的连接技术。无论链路采用的是 PLC，还是 WiFi，数据都可通过标准 I2C 或 SPI 端口传输给微控制器。

Piccolo™ 微控制器的 LED 优势

TI C2000™ Piccolo 微控制器平台可为各种照明应用（见图 4）提供理想的高性能架构。Piccolo 微控制器架构经过精心设计，适用于数字电源控制，能够灵活地支持各种电源拓扑。它拥有行业领先的 PWM 系列支持高分辨率占空比控制以及高分辨率死区功能，可实现对功率级进行更高效率及更高性能的控制。同样，高级 PWM 可扩大照明控制优势，带来更加精确的色彩输出与调光水平。此外，Piccolo 微控制器还支持多达 16 组的 PWM 输出，可独立控制多达 16 个独立 LED 串。

支持高速采样的 12 位高分辨率模数转换器 (ADC)可对PWM形成互补，其转换速度高达每秒 4.6 百万样片。PWM 与 ADC 模块相结合，可帮助工程师创建一个紧密的反馈环路，迅速响应系统及环境运行情况的变化。

内建的故障保护机制可确保系统能够处理过流和过压情况。PWM 故障触发区可在系统出现异常状态时，，帮助系统绕过 CPU，在系统损坏之前采用预编程状态迅速覆盖 PWM 信号。此外，生产就绪型固件驱动器与I2C、SPI、UART、USB 以及 CAN 外设相结合，还有助于 Piccolo 满足每项应用的连接需求。

为降低系统成本，开发人员还需要微控制器提供足够的处理功能，从而实现基于统一微控制器的实施功率级、LED 控制、传感器输入以及远程连接。这种水平的集成可为照明设计显著降低成本。

随着 Piccolo 的推出，TI 可提供一款可支持从入门级器件到具有 PLC 功能的复杂多串系统等所有功能的微控制平台。32 位 TMS320C28x™ 内核可在微控制器器件中提供能够处理功率级计算、LED 串控制以及诸如 DMX512 等任何照明协议的数字信号处理 (DSP) 性能。Piccolo 微控制器支持优化的数学运算、可实时控制的中断驱动架构以及随时响应事件变化的可编程灵活性，因此是照明应用的理想选择。

此外，Piccolo F2803x 器件还实现了与 TI 控制律加速器 (CLA)的集成。这是一款分立式处理内核，无需增加二级微控制器成本或开销，便可实现双核运算功能。CLA 能够独立于 C28x DSP 内核运行，可提供高效率的并行处理功能。Piccolo 微控制器可在 C28x 内核与 CLA 内核之间进行照明系统的功能分区，在单个芯片中实施完整的智能 LED 控制器。例如，CLA 可用于运行 PLS 算法，而 C28 内核则重在进行数字电源转换与 LED 串控制。对于需要更高级或更高带宽 PLC 的应用而言，Piccolo F2806x 微控制器还提供集成型 Viterbi 复杂数学单元 (VCU)，其专门针对 PLC 算法进行了灵活配置，与不支持 VCU 的器件相比，可将 PLC 处理速度提升高达 7 倍。

Piccolo 提供众多的器件，可支持从入门级到高度智能化的不同照明系统。例如，低成本系统可使用 Piccolo F2802x 微控制器所提供足够的性能来降低系统组件数量，充分发挥实时数字电源技术的优势，实施支持 DALI、DMX512 或者 KNX 等通信的自我适应照明技术。对于需要入门级 PLC 远程连接的系统而言，Piccolo F2803x 微控制器不但支持 PLC-Lite，而且还可提供比 F2802x 更多的 LED 通道和更高的性能。对高性能系统而言，Piccolo F2806x 微控制器不仅支持高级 PLC 和 USB，同时还可提供甚至更多的 LED 通道与处理功能。

需要注意的是，集成所有系统控制器的单芯片设计一般都比需要多个微控制器的设计成本更低。然而在一些照明系统中，高低电压的同时存在通常需要使用隔离边界，PFC 与 DC/DC 转换位于边界的不同侧（见图 4）。由于难以跨越隔离边界，因此单控制器架构的设计难以实现。在这种情况下，使用两个微控制器通过 I2C 或者 SPI 接口跨隔离边界进行通信可能会更加简便。如果设计是非隔离的，相比之下在相同的控制器上实施 PFC 与 DC/DC 转换功能更加简单直接。

加速 LED 开发

TI 等公司提供的各种开发软硬件，可帮助工程师评估和设计从低电压辅助供电系统到支持远程连接功能的高电压全 AC 主供电系统的各种 LED 照明应用。例如，TMS320C2000 AC LED 照明与通信开发套件 (TMDSIACLEDCOMKIT) 可为加速 AC 主供电智能照明产品（见图 6）设计进程提供一款完整的平台，为其实现高工作效率（大约 90%），并为全远程连接功能以及DALI、DMX512、KNX 和 PLC 等照明通信协议提供全面支持。

其它可提供的工具还包括 DC/DC LED 照明开发套件 (TMDSDCDCLEDKIT)、多 DC/DC 彩色 LED 套件 (TMDSRGBLEDKIT) 以及电力线通信 (PLC) 扩展套件 (TMDSPLCMODA-P3X)。如果开发人员不熟悉 Piccolo 或 LED 开发工作，他们还可使用具有 C2000 aunchPad™ 或 MSP430™ LaunchPad 的最新 LED BoosterPack™。所有这些工具都提供 C2000 controlSUITE 软件支持。

更多详情，敬请访问：https://www.ti.com/ww/en/lighting/products.htm。