构建自我监测的智能化LED灯具 智能化, LED灯具, 制造商, 浪潮

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发光二极管一直以来都被当作低成本的指示灯用在各种电子产品上。目前，它们已经成为强大的光源，可用于室内照明、标识牌、显示屏和装饰照明应用。与白炽灯和荧光灯相比，由于产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。能源是本世纪最为热门的话题之一，而且会很快成为世界各地设计人员需要考虑的最重要问题之一。
对灯具制造商而言，使用LED具有诸多优势。不过，试图尽早赶上LED浪潮的厂商数量也不少，因此产品的差异化非常重要。另外，当能耗和人力成本成为设计需要考虑的主要问题时，大型照明设备也几乎需要“智能化”。让灯具具备与“母”控制器通信、监测自身状况、根据监测结果调整工作模式、在失效后能够进入安全状态的能力等都是对新一代LED灯具的期望。本文将探讨部分适合于LED灯具的“智能化”选择及其实现步骤。


输入低电压闭锁
LED驱动系统的输入电压一般是直流电压。电源由离线的AC-DC转换器或者总线提供。除了为LED驱动器供电，电源还用于为系统中的控制器供电(需先转换为适合控制器使用的5V或者3.3V电压)。控制器电源一般设计为当输入电压略高于要求的输出电压时，就开始工作。比如，5V的调节器会在输入电压达到6-7V时就开始工作。不过，这个电源的稳态可以是为由5-6个LED构成的LED串、每串电流为1A供电的24V电源。一旦控制器加电，控制器就会假定电源可用并开启LED驱动系统(假设其配置如此)，随后LED驱动系统将试图进入正常工作状态。如果此时输入的电压只有10V，要求电源提供的电流将远远大于稳态下的电流，系统将由于这种瞬发的电流突增而崩溃。这种超额电流需求也会超出线缆、连接器和输入电源其他组件的额定承受能力，可能导致系统永久损坏。
为了避免发生这种情况，系统应具有“低压闭锁”功能。采用的硬件是电阻分压器，可以逐步把输入电压降低到控制器的输入可以承受的范围。输入在内部与比较器相连。控制器(固件)的动作应该设计为只有输入电压超过正常工作的阈值时，电源部分才会启用。另外，并非比较器一开启，电压系统就马上启动。固件应对比较器的输出进行轮询，检查这种状态是否一致(因为比较器是组合逻辑电路的组成部分)，然后再启动电源系统。图2是实现该功能的硬件原理图(简图)。


负载(LED)监测
这里的负载具有经过LED且受调整的恒定电流。虽然电流调整系统已经在监测负载，这里的目的是确保有合适的负载电流流过。LED易于损坏，特别是在开路或者短路发生的时候。导致这些类型故障的原因包括线缆松动、连接器松动、PCB组装问题，等等。通道出现短路会导致MOSFET损坏(起开关作用)。鉴于这些系统的功率，在出现故障的情况下，会导致大电流的出现，并释放大量热量。为了保护系统及其周边免受故障的不良影响，控制器应具备实时监控负载状况的能力。
我们不妨考虑开路情况，其中供电流流经的路径不存在。如果让电流调整系统自行处理，它会让开关(MOSFET)一直开着，以试图让电流流往指定的地方。但这样不会解决问题。类似的，在出现电流不受控制地突增的短路情况下。反馈系统会试图关闭开关，但如果MOSFET已经损坏，它不会对这些控制信号做出响应，问题同样无法解决。
智能化的LED灯具应该能够检测这些状况，并将系统置于可以安全避免故障导致不良后果的状况。实现这种目标的其中一种方法是强制熔断保险丝，从而切断整个系统的电源。另一种方式是向“母”控制器发出某种信号，或者停止向“母”控制器发出某种信号，以指示故障状况。为此，系统必须能够首先监测负载电流或者电压值。为测量电流，在LED线路中引入了一个电流感应电阻，并将其两端的电压(在放大后)输入ADC。ADC的数字输出受处理器监控，并根据测得的电流值采取相应的行动。例如，如果通过LED的电流为500mA，但ADC只测得10mA，就可以视为出现故障。控制器随即向“母”控制器发出信号，启动“熔断保险丝”电路，强行熔断保险丝。
在诸如升压电路这样的电路中，存在着一个大容量电容器，故持续监控负载的电压非常重要。在升压系统正常工作的条件下，大容量电容器在开关断开的周期内充电，在开关闭合的周期内放电。如果负载出现开路，电容不会放电但充电仍在继续。如果置之不理，电容两端的电压会迅速升至很高，可能导致MOSFET这样的零件损坏。如果在连接松弛的情况下突然闭合电路，过充电的电容会在短时内造成过大电流通过负载，这样可能永久地损坏LED。


在大容量电容两端接上电阻分压网络，可以把输出电压降至微控制器可以处理的范围。信号随之输入到比较器，比较器的输出连接到可将其关闭的电流调节系统。当电压超过预设的限值，比较器就会打开开关，关闭系统。
环境条件监测
LED灯具会放置在各种环境中工作。在办公室环境中，如果灯具能够检测到人进出房间，在人离开房间后关闭或者降低亮度，对节能颇有好处。这可以节省电力，进而节省公司的电费。此外还可以有效利用LED，延长其使用寿命。
可以在系统内结合简单的环境光照传感器(光电二极管或者晶体管)来完成这项功能。这种传感器的输出一般是电流(大小取决于获得的光照强度)，该电流可以用电阻转换为电压信号。电压信号随即通过其引脚提供给控制器，然后使用ADC转换为数字信号。控制器根据该值来确定合适的动作(降低亮度、关闭或者开启)。
LED自身也会发热，但与白炽灯所不同的是LED发出的热量随其终端传递，而白炽灯的热传递方向与光照方向一致。另外，LED灯一般安装在紧凑的空间内，散热条件恶劣。如果出现非正常的温度陡增，可能会引发各种后果，如零部件和LED的寿命下降乃至永久损坏，在极端的情况下甚至可能引发火灾。