構(gòu)建自我監(jiān)測(cè)的智能化LED燈具

發(fā)光二極管一直以來都被當(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，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LED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)就開始工作。不過，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?固件)的動(dòng)作應(yīng)該設(shè)計(jì)為只有輸入電壓超過正常工作的閾值時(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。LED易于損壞，特別是在開路或者短路發(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組裝問題，等等。通道出現(xiàn)短路會(huì)導(dǎo)致MOSFET損壞(起開關(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)讓開關(guān)(MOSFET)一直開著，以試圖讓電流流往指定的地方。但這樣不會(huì)解決問題。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)，問題同樣無法解決。

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LED的電流為500mA，但ADC只測(cè)得10mA，就可以視為出現(xiàn)故障?？刂破麟S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，大容量電容器在開關(guān)斷開的周期內(nèi)充電，在開關(guān)閉合的周期內(nèi)放電。如果負(fù)載出現(xiàn)開路，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，過充電的電容會(huì)在短時(shí)內(nèi)造成過大電流通過負(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)電壓超過預(yù)設(shè)的限值，比較器就會(huì)打開開關(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)該值來確定合適的動(dòng)作(降低亮度、關(guān)閉或者開啟)。

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)。