智能照明设计关键元素及解决方案汇总    来源:www.jckbocps.com

智能照明是指利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统，来实现对照明设备的智能化控制。

　　智能照明系统工作原理

　　智能家居的照明控制系统，其实就是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自控制照明，是整个智能家居的基础部分。

　　智能照明系统最为人称道的是，它可进行预设，即具有将照明亮度转变为一系列设置的功能。这些设置也称为场景，可由调光器系统或中央建筑控制系统自动调用。在家庭内使用时，可以采用集成中央控制器的形式，并可能带有一个触屏界面。

　　总体而言，智能照明系统作为整个智能家居的核心部分，特别适合于大面积住房，它将使生活方便，舒适。照明控制系统分为独立式、特定于房间式或大型的联网系统，在联网系统中，调光设备安装在电气柜中，由诸如传感器和控制面板组成的外部设备网络来操作。联网系统的优势是可从许多点来控制不同的房间中区域。在家庭中，可以在靠近主进口的墙上安装一个控制面板，以此作为多外房间的主控制点。

　　智能照明系统设备要求

　　针对大户型的装修风格和智能控制的需求，结合物联智能家居控制系统的控制方式的方便、灵活、易于修改、易于操作、易于维护等特点，实现智能照明控制的系统解决方案；

　　1.系统采用数字总线设计，采用2芯双绞线，所有设备通过2芯双绞线以星形或串形结构连接，连接不分极性，布线简单、方便，极大的节省了安装时间，减少了安装错误，降低了施工费用和后期维护费用；采用27VDC低电压供电方式，安全可靠，无电磁辐射；

　　2.信号传输速率很高，抗干扰能力强，可靠性高，距离可达5千米，经过扩展后传输距离更远，2芯双绞线可同时传输电源信号、控制信号、音频信号和视频信号，并可实现多通道传输，互不干扰；

　　3.所有控制器可随时更换位置，改变功能，改变控制负载对象，而无需更改线缆，并可自动修正设定，运行到最佳状态，节约能源，提高效率；

　　4.所有执行器均采用模块化设计，采用标准35mm导轨安装方式，安装体积小，可安装在照明箱中，无需定制特殊箱体，尤其适合于别墅安装空间小的环境；

　　5.系统稳定性、兼容性和扩展性强，所有设备均采用相同协议传输信号，任何一个设备均可独立工作运行，出现故障时不影响其他设备，含有丰富的外界通信接口如：RS232、USB、IP接口等；系统可随时通过USB、COM接口和IP接口进行升级，不影响系统的运行。

　　6.在控制上，可采用多种控制方式，进行各种调光灯和非调光灯的控制，负载功率强大。可点对点控制、场景控制、遥控、感应控制、触摸屏控制中心、远程网络、电话、PDA等多种控制方式，具有区控、组控、总控、定时、延时、条件判断等多种功能；

　　LED照明系统的智能化程度是一个值得关注的问题。LED照明能够降低能耗和维护成本，而智能化LED照明设计可以从两个方面进一步改善系统性能：从每 瓦特中获得更好的性能，降低长期运行成本。电能测量、环境光检测和通信是智能LED照明设计的基础：电能测量提供系统的健康运转及能耗信息；环境光检测可 以减少LED的实际照明时间，节约电能并延长二极管寿命；通信功能则将每个光源连接在一起，以进行维护识别、系统级协调。本文将探讨各部分电路对总体系统 的影响。

　　LED智能化的关键元素

　 　环境光检测、通信和电能测量是智能化照明系统的关键元素。通过环境光检测，可以在其它光源已提供充足照明时调暗照明灯；此外，通过检测环境光的颜色，能够调节高级RGB LED照明系统的颜色。通信功能则允许远程控制并将小型、大型照明装置连接成中央网络。电能测量准确计算消耗的功率，为预测性维护提供系统洞察力。所有这 些特性——环境光检测、通信、电能测量——将进一步节省能源，降低运营成本。本文探讨为LED照明系统增加环境光检测、通信（包括无线和电力线）以及电能 测量功能的关键设计考虑。提供了参考设计示例。

　　环境光传感器（ALS）检测传感器附近的光量。这些简单器件成为LED照明系统的“眼 睛”，也是节约能耗的关键。当房间已经有充足的光源时，照明完全没必要，可将照明灯调暗或完全关闭，降低功耗、延长照明灯寿命。ALS的关键特性包括功 耗、流明监测范围，以及IR和UV滤光。这些传感器必须安静地呆在系统中，不能消耗过大电能，从而破坏节约系统能耗的初衷。好的ALS耗流达到1μA以 下。流明检测范围必须达到室外环境的典型流明范围。0.1lx至100，000lx一般可满足大多数应用要求。考虑到系统可靠性，可能有必要采用略大的范 围。IR和UV滤光可消除实际系统中不可见光的光谱。

　　光检测

　　图1所示光源中的 ALS设计。传感器必须避开照明灯本身的光线，避免对环境光测量的影响。该设计中，ALS位于独立的电路板上，处于照明灯支架的阴影下。这种简单的设计使 ALS能够在检测到环境光超过预设值时关闭照明灯。RGB传感器甚至能够为照明应用增加更多“功能”。类似于图中所示带有RGB LED和ALS的LED照明系统，能够动态调节其颜色输出，以满足特殊的应用需求，例如舞台情景照明或百货公司的展示效果。

　　图1：ALS安装在独立的PCB，处于照明灯支架的阴影下，防止传感器读取照明灯本身的光强。

　　通信

　 　下面，我们讨论LED的智能通信。耳朵和喉咙是接下来实现LED照明智能化的最重要功能。通过将照明灯简单组网，即可通过网络控制灯的开、关，或者调 光，这种操作将降低能耗。通信也为断电、维护和应急提供快速反馈，该信息将节省总体系统维护成本。无线和有线通信能够在不同环境下很好地工作，取决于网络 规模和拓扑。无线比较适合于小型室内以及大型室外应用，后者需要具有连续视线、可用的频带以及裕量足够的传输功率。电力线通信（PLC）利用现有电力线实 现通信。PLC非常适合于大型市政类照明装置、隧道、室内停车场等由于物理位置或建筑墙壁的原因而无法使用自然光的环境。所有通信引用中，可靠性是关键所 在。如果通信发生故障，系统就毫无益处。

　　无线应用中，信号传输方式可能是Wi-Fi、ZigBee或其它往往属于，但不仅限于工业、科 学和医疗（ISM）射频的标准协议。限制功耗提供了网络灵活性，如果端点使用电池时则至关重要。图2所示是一种独特的应用，其中照明灯开关上配备有能量收 集射频（RF）收发器。系统收集用于拨动开关的能量，产生可使用的直流电压，支持照明灯具的无线电通信（<1GHz RF）。只要信号能够覆盖光源，该开关可置于房间内的任何地方。无需连接照明开关，室内设计更灵活，照明控制更可靠。

　　图2：楼宇自动化应用，其中的照明开关具有一个无需接线的能量收集射频收发器，用以控制LED照明。

　　PLC照明控制方法利用现有的供电线路，不失为高性价选择。由于通过维护很好的现有供电线路实现通信，PLC避免了许多麻烦，例如共用通信频率、恶劣天气时的性能以及网络维护。范围、速度和可靠性是设计PLC的关键。

　 　电力线的噪声极大，影响系统通信的可靠性。G3-PLC通信是一种基于OFDM的新型PLC标准，可实现电力线的可靠通信。该标准支持高达 300kbps的速度、网状组网以及高噪声环境下的可靠模式非常适合LED控制网络。基于OFDM、PLC控制的照明网络类似于现有的G3-PLC。

　　图3所示为Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明的PLC装置4，该系统已经节约了25%的电能，维护成本降低30%。该大型设施系统支持最多1022盏照明灯，通信距离长达3km。

　　图3：采用PLC的市政路灯网络示例。

　　电能测量

　 　智能LED灯还需要具备电量计算能力。从智能电表到电压控制器再到电动汽车充电器，每个智能电网装置都具有电能测量功能，实时为电力公司和用户提供准确 的用电信息。发回耗电量的大多数照明装置提供关于建筑及市政照明环境的详细信息，可确保电力公司的收费与耗电严格一致。通过调光或在不使用时关闭照明灯， 及时、准确地响应用户需求。此外，特定照明灯的耗电波动说明需要进行系统维修、维护或更换。毫无疑问，许多照明灯处于难以触及的区域，优化维护可节省费 用。为生成智能电网中的有用数据，电能测量设计必须在较宽的电流范围保持高精度测量。不仅如此，限制或消除校准时间也会降低总体系统成本。图4所示为一种 灵活的LED照明参考设计，具有电能测量功能。5电能测量芯片也提供系统调光和DALI接口。

　　目前许多城市安装了非智能LED照明灯， 这为改善LED照明设施性能的集成模块提供了巨大的商机。为实现可升级，这些系统需要连接到智能照明系统。如果LED的成本和容量一定，简单更换相对较新 和效率较高的LED，性价比较低。简单接口，例如DALI，允许将来增加ALS、通信和电能测量功能。

　　图4：完整的智能LED照明参考设计，具有电能测量、环境光检测和通信功能。

　　总结

　 　增加“智 能” 照明的关键元素——ALS、通信和电能测量——将使LED更加强大，更具吸引力。智能化LED提供的测量数据能够进一步降低照明系统的能耗，降低运营和维 护成本。增加智能化设计，LED将充分发挥潜力，在已经如火如荼的竞赛中击败传统照明。下面是几种典型的智能照明解决方案，带你一探智能照明“智”在何处。

NXP智能照明解决方案集合

　　1.恩智浦GreenChip智能照明解决方案

　　恩智浦GreenChip智能照明解决方案外形紧凑、成本低廉，具有无线IP连接、节能照明和低待机功耗（目前为150mW，计划降低至50mW）等特性，开启了全新的照明控制和能耗管理方法。

　　Lamp driver：CFL、SSL、HF-TL、HID

　　Wireless microcontroller：JN5148 Wireless microcontroller JenNet-IP or ZigBee network stack

　　Smart supply：TEA1721AT、TEA1721BT、TEA1721DT、TEA1721FT

　　主要特性和优势

　　1.灵活、易于扩展且经济实惠的软件解决方案

　　2.高度安全的IP智能照明系统采用JenNet-IP软件堆栈，具有安全的调试/通信功能

　　3.支持高达500个节点，具有强大的网络自我修复与重新调整能力

　　4.满足未来开发的“通过网络下载”能力

　　5.支持以远程方式简单、安全地调试网关与独立网络的操作

　　6.关灯后的（超）低待机功耗

　　7.多种控制选项

　　8.此外，还支持基于ZigBee的照明标准

　　9.开/关灯后一流的能效

　　10.低BOM成本（IC、外部元器件、PCB）

　　11.照明驱动器、AC/DC转换器、高性能IEEE 802.15.4单芯片收发器和MCU等全系列恩智浦产品确保解决方案的灵活性

　　12.深度调光能力与可选三端双向可控硅调光器兼容

　　13.多种控制选项：

　　(1)电池寿命大于10年的电池供电开关和RF远程控制、电容触摸式远程控制

　　(2)远程控制的双启动选项（例如同时运行RF4CE和JenNet/ZigBee协议）

　　(3)通过网关连网的PC、平板电脑、智能手机等

　　(4)免电池电能采集开关（规划中）

　　14.iCFL以及隔离与非隔离iSSL的参考设计范围

　　15.支持的软件堆栈和容量（不包括应用）

　　(1)JenNet-IP和应用特定选项（约120 kB）

　　(2)JenNet标准（约50 kB）

　　(3)ZigBee家庭自动化（约120 kB）

　　(4)ZigBee LightLink（约128 kB）

　　(5)ZigBee Green Power（约10 kB）

　　2.恩智浦智能照明的远程控制

　　由电池供电的遥控无线通信为家庭环境中控制灯具提供了一种简便而灵活的方法。

　　主要特性和优势

　　1.JN5148单芯片无线微控制器采用完整遥控方案

　　2.电容式触摸屏算法可实现最低成本解决方案

　　3.100 nA超低待机功耗延长了电池的使用寿命

　　4.支持JenNet-IP™或ZigBee® Home Automation / Light Link

　　3.恩智浦针对智能照明应用的无线控制系统

　　针对智能照明应用的无线控制系统。所有灯都连接无线网络，可通过远程控制装置、壁式开关或连网设备进行控制。

　　主要特性和优势

　　1.所有节点都采用IPv6连接

　　2.将多达250盏灯互连，以提供整幢楼宇的照明控制

　　3.超低功耗无线设备，待机功耗低于150mW

　　4.CFL与SSL灯的完全参考设计

　　无线控制：

　　JenNet-IP网络可将所有灯和开关互连，提供室内所有设备灵活的无线控制。每一终端节点都有一个IPv6地址，既可单独受控，也可作为群组的一部分受控。这样就能创建多种照明“场景”，例如阅读或观看电视时的场景。

　　由于每盏灯均连入互联网，因此可轻松通过智能手机或平板电脑等连网设备对其进行控制。开关或远程控制装置等其他控制设备可用来提供日常生活的便利。有了完全灵活的控制，则确保只有真正需要使用的灯达到最高亮度便可实现节能。

　　4.NXP智能照明整体解决方案

　 　2014年6月18日，致力于亚太地区市场的领先电子元器件分销商---大联大控股宣布，其旗下品佳结合NXP的Jennic无线产 品，Cortex M系列32位MCU及GreenChip照明驱动IC，推出其智能照明解决方案，该方案使每一颗灯都有其独立的IP地址，并可以通过智能手机，移动互联终 端，智能家居控制面板，电脑等产品来对灯光进行开关，调光，变色等功能的控制。

　　图示-节点框图：

　　图示-NXP Smart Lighting Solutions Platform， One platform for CFL， SSL & HF-TL

　 　大联大品佳集团代理的JN5148是NXP Jennic最新推出的第三代超低功耗、低成本的无线微控制器，目标方向为IEEE802.15.4与ZigBee PRO的应用。JN5148芯片集成了一个32-bitRISC处理器，4-32Mhz主频根据应用软件可以调整，它包含完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的收发器、128KB ROM、128KB RAM以及UART、SPI、IIC、DIO、ADC、DAC等丰富数字与模拟量外设接口。高达128KB的RAM，允许客户运行Zigbee PRO协议栈以及客户的应用程序。低至18mA的工作电流，一个纽扣电池完全能够满足应用需求。?此外，JN5148在第二代的JN5139基础上也增加 了很多的其它特性。

　　收发器特性：

　　2.4GHz IEEE802.15.4兼容

　　500与667kbps数据传输模式

　　深度休眠：0.1uA

　　带定时器休眠：1.1uA

　　RX电流：18mA

　　TX电流：15mA

　　接收器灵敏度：-95dBm

　　发射功率：2.5dBm

　　飞行时间测量机制

　　MAC加速、CRCs、地址校验、自动应答、定时器

　　供电：2.0-3.6V DC

　　图示-JN516x评估套件

　 　JN516x评估套件专为使用恩智浦JN5161、JN5164或JN5168无线微控制器而设计，其提供系统开发所需的所有构件，包括一系列无线载 板、插入式扩展板、USB连接器、一个遥控器、一个经过专门编程、运行增强型OpenWRT固件的互联网路由器以及完整的软件设计套件。该全面的开发套件 可以轻松使用ZigBee、JenNet-IP或RF4CE设计物联网解决方案。

基于英飞凌MCU的智能照明解决方案

　　基于英飞凌XMC1200 MCU的智能照明解决方案，MCU可助力实现LED照明智能化。LED照明系统商可依托内建BCCU功能的MCU，大幅缩短开发出智能高功率LED灯泡的 上市时间，并协助终端使用者达成轻松且精准调光的目的，同时避免闪烁的问题。英飞凌XMC1200作为上述特性的单芯片解决方案，可以节省大量的CPU开 销，大幅降低软件开发的时间，有效的减少人为导致的软件错误风险。同时XMC1200系列MCU具有高性能、大容量、高可靠性的特点，可以将智能照明广泛 的应用于生活、工业的各个方面。

　　达成灯泡控制调变，LED开关切换速度成关键。调变指的是能够快速开关LED，若切换速度够 快，人眼便无法辨识，看到的亮度将取决于LED开启的平均时间。最常见的调变方式为脉冲宽度调变（PWM）和脉冲密度调变（PDM）（图2）。其 中，PDM能在对等的系统频率下达到更高的分辨率，电磁干扰（EMI）特性更佳，且因为本身切换速率高，因此不容易发生闪烁。

　　图1-大约25%亮度下的PWM和PDM调变

　　户外型LED灯泡的控制装置内包含电源供应器和驱动器。其中，标准电源供应器的重要器件包括桥接整流器、功率因子校正器（PFC）及半桥谐振（LLC）谐振转换器的降压转换器（图1）。

　　图2-四信道LED照明引擎范例

　 　LED电流透过线性或切换式LED驱动器，固定为仔细选定的值，选定的LED电流则取决于系统器件和所需的最高亮度，如350毫安培（mA）或700毫 安培。一般街灯的LED都以相同的电流驱动，建筑照明经常使用的多色灯泡，则可能使用完全不同的LED通道电流。调光时，通常是透过通讯，如数字可寻址照 明接口（DALI）或传感器输入（如环境光源）触发；灯泡的亮度和/或颜色则是透过调变驱动器的输入（Enable Input）加以控制。

　 　产业界所开发适用于LED照明的微控制器（MCU）包含亮度及色彩控制单元（BCCU），能在最多九个信道上产生PDM讯号。高功率调光灯泡的特殊挑战 在于LED驱动器需要最短的停留时间，LED驱动器Enable Input的调变讯号必须在最短的时间间隔内保持恒定。从经验法则得知，功率越高需要的最短停留时间就越长，只有这样才能保持稳定且准确的LED电流。但 在高分辨率和高比特率下，尤其是在低亮度的情况下，调变讯号却可能违反此要求。

　　目前产业界开发适用于LED照明的MCU可适时稍微重新排列调变讯号内的脉冲，自动解决此问题。脉冲会在分组电路内重新分组（图3），产生新的脉冲，拥有所需的最短宽度并兼顾分辨率，同时又能保持不闪烁。

　　图3-未分组PDM与已分组PDM范例比较

　　另一项需求则是将电源供应器的负载变动降到最低（使负载变流畅），尤其LLC谐振转换器对于高负载变动极为敏感。BCCU内的分组电路能够在不同的相对信道调变讯号间加入相移，确保讯号在不同的时间点变更状态。

　　图4-系统架构图

　　方案特色

　　隔离的DALI调光界面

　　温度检测

　　周围环境的亮度检测

　　433MHz射频控制方式

无线智能LED照明系统

　 　本文设计采用了TI 的CC430 无线通信平台，该平台融合了基于16Bit 的超低功耗MSP430 内核 以及业界领先的不足1GHz 的CC1101 RF 收发器之上。完美的结合实现了独特的低功耗/高性能组合与前所未有的高集成度，带来更为先进的高选择性与高阻塞性能，确保即使在噪声环境下也能实现可靠通 信。能够充分利用其高达25MHz 的峰值执行性能，且功耗仅为160uA/MHz。针对基于CC430 的设备，TI 提供了种类丰富的MSP430 MCU 外设集，如12-Bit 的ADC、LCD驱动以及比较器等高性能数字与模拟外设。此外，还具有AES-128 硬件安全模块确保通信的安全性。

　　无线LED 照明系统的整体框图如图1 所示。其中控制端部分设计为采用双节AA 电池供电的

　 　手持式遥控模块，其基于CC430F6137，带有段式LCD 驱动，丰富的I/O 口资源，以及能够构建触摸功能的比较器;而接收端则基于CC430F5137，其带有12-Bit 的 ADC 以及多通道的PWM 模块。通过在控制端CC430F6137 的比较器B 上构建触摸滑条与按键功能，对滑条的触摸位置进行检测并转换为PWM的占空比，通过双边的RF 模块发送/接收相应的调制参数，再由接收端CC430F5137 产生调节LED 灯亮度的PWM信号，对驱动模块UCC28810 进行调制，如图2所示。

　　3. 硬件电路设计

　　3.1 RF 模块硬件电路设计

　 　CC430 的射频模块使用的是业界领先的不足1GHz 的CC1101 RF 收发器，该部分是基于RF频率的直接合成，其射频合成器包括一个完整芯片的LC-VCO 和一个对接模式的混频器进行频率合成。该射频的接收单元将RF 信号通过低噪声放大器（LNA）进行前置放大，再对其中频信号进行滤波、数据解调以及同步包等工作。CC430 支持的频率范围为：300MHz~348MHz;389MHz~464MHz;779MHz~928MHz;在本设计中使用的是433MHz 的载波频率，鉴于应用场合其要求的传输速率较低，因此选用的是3.2Kbps;并通过PATABLE 对输出功率进行调整，满足不同的距离需求。

　 　RF 模块的硬件电路在整个系统设计中尤为重要，如图3 所示。图中的C5， C9， L3 以及L8形成一个平衡转换器，用以将CC430 上的差分端口RF_N/RF_P 平衡电路转换成单端不平衡的RF 信号，方便将振子流过电缆屏蔽层外的高频电流截断。图中的L5，C10 和L4 构成了带通滤波器;L2，L6 和C8 构成低通滤波器。在本设计中RF 的天线采用的是鞭状天线或者陶瓷天线。

　　3.2 触摸滑条的硬件电路构建

　 　在本设计中，控制端部分为手持式遥控模块。其设计的人机交互界面主要是LCD 显示以及触摸按键。其中将触摸滑条的功能用于调节LED 的亮度，是系统中较为形象与新颖的设计之一。其充分利用了MSP430 的自身资源特性，在CC430F6137 集成的比较器COM_B 以及PCBLayout 的传感电容上，构建了基于弛张振荡方式（RO）的触摸按键功能，由于在COMP_B 中自带有REF 参考电压配置网络，因此无需像COMP_A 那样使用外部硬件方式实现参考电压网络。其原理如图4 所示，主要通过TimerA 测量RC 振荡电路在固定时间内的振荡次数，当人手触摸在传感电容上，会改变其自身电容值，使得对应的振荡次数发生明显变化，以此来判断触摸/非触摸的状态。构建一 个4/5 级触摸滑条与2 个触摸按键。

　　3.3 传感器硬件电路设计

　 　光敏传感器的使用使得LED 照明系统能够实现亮度自调节功能，硬件电路如图5 所示。光敏传感器使用的是光敏电阻，因其有着良好的光电特性以及价格优势，非常适合于光强检测场合的使用。系统中主要通过对Vo 电压的检测，反映光强的变化，进而对PWM进行相应的调制。

　　4. 系统软件设计

　　 RF 模块实现

　　在整个系统中，RF 模块是通信传输的桥梁，双边都须进行协议相同的RF 软件模块设计。其发送模式和接收模式的数据包主要通过FIFO 来进行处理， 一帧的格式如图6 所示：

　 　在发送时，在TX FIFO 中的数据段包括数据长度，主机地址，从机地址，控制模式，控制PWM参数，数据段CRC 校验。其中，主机地址标识了控制端的地址;从机地址包括两种地址：广播地址与独立地址，主要是用于集中控制与多点操作。控制模式提供了可选的模式选择，控 制PWM参数用于LED 亮度调节。

　　在接收时，RF 的解调器和数据包处理器将寻找一个有效的前导和同步字。当找到后，解调器将获得前导位和字同步，然后对接收的地址信息进行比照，首先判断数据包是否来自控制端，然后响应含有广播地址或者本机地址信息的数据。其发射/接收的流程图如图7。

　　 控制端/接收端软件设计

　 　控制端/接收端软件的流程图如图9 所示，其中虚线上方为控制端CC430F6137 的软件设计，在Stand By 模式时保持MSP430 的低功耗模式，以满足控制端遥控器对能耗的要求。通过对模式选择的操作实现集中控制和多点操作，而触摸滑条的处理通过将Position 转换为PWM由RF发送至接收端CC430F5137。接收端则处理来自控制端的数据包，对LED 照明进行亮度调节，或自动调节。本设计的软件采用C 语言编写，整个程序包括的子模块有：模式选择模块，触摸滑条检测模块，数据发送/接收模块，PWM转换模块，传感器检测模块等几个部分。

　　5. 总结

　 　本文主要描述了以CC430 为控制核心的无线LED 照明系统的设计。整个系统经过软/硬件设计与调试使得功能基本得到实现，系统实际硬件电路如图10 所示。实测过程中能够有效地进行集中控制和多点单独控制，定时控制，自动调光等预设功能，满足当前市场对此类解决方案的功能要求。

　　文章详情：基于TI CC430的无线智能LED照明系统设计

安森美智能LED街灯与楼宇照明保护方案

　　安森美半导体利用其先进半导体技术，推出了针对智能照明的包括通信、传感器、KNX收发器及保护解决方案，有助于以更少电能执行相同（甚至更多）的任务，进一步提升能效，节约能源。

　 　例如，利用安森美半导体的PLC调制解调器（如AMIS-49587）、PLC线路驱动器（如NCS5650）和诸如NOA1302这样的环境光传感 器，可基于电力线轻松构建联网型LED街灯智能控制系统，有助于市政、电力公司和商业企业远程调节路灯的光输出，减少其路灯网络的整体能耗。此外，在楼宇 智能温度调节及灯光控制应用中，也可在双绞线布线上使用KNX收发器，利用KNX网络进行照明控制。

　　图1 安森美半导体用于智能LED街灯的调制解调器、电源及传感器方案概览

　　1 符合严格国际标准、获得市场验证的PLC调制解调器

　 　电力线通信有助于公用事业公司为其配电网络增加更高级别的功能，从而让消费者更能掌自己的能耗。安森美半导体提供一系列领先扩频型频移键控（S- FSK）PLC调制解调器，如AMIS30585、AMIS49587和NCN49597等。其中，AMIS-30585和AMIS-49587均基于 ARM7内核微控制器（MCU），仅支持AC工作，每通道最大波特率分别为1.2k和2.4k;新推出的NCN49597基于ARMCortexM0内核 MCU，同时支持AC及DC工作，每通道最大波特率达4.8k，支持CenelecA、B、C及D波段，且提供可编程软件。还预计将于2012年下半年推 出在NCN49597基础上还集成功率放大器功能的NCN49599PLC调制解调器。

　　这些强固的窄带PLC调制解调器嵌入了PHY+MAC，符合严格的国际标准（FCC、CENELEC、IEC61334-5-1），可在低压和中压网络上运行，提供最佳的物料单（BOM）成本和极低的能耗。

　　2 KNX收发器及评估板

　 　KNX是一个符合智能楼宇标准、基于开放式系统互连（OSI）的网络通信协议。KNX是融合了此前的3个标准，包括欧洲家庭系统协议（EHS）、 BatiBUS和欧洲安装总线（EIB或Instabus）。KNX支持的开放标准包括：EN50090欧洲标准、ISO/IEC14543-3国际标 准、GB/Z20965中国标准、ANSI/ASHRAE135美国标准。

　　安森美半导体提供的KNX收发器有：NCN5120、NCN5121、NCN5110和NCN5111等，可用于连接电器和传感器，为建筑物内9600波特KNX双绞线（TP）总线提供温度及光线控制。双绞线总线可提供数据通信和电力供应。

　　表1 安森美半导体KNX收发器

　　图2 KNX网络通信架构

　 　值得一提的是，安森美半导体与恩智浦（NXP）半导体最近联合推出了用于高能效双绞线网络的评估板及完整参考设计。此评估板采用NXP的低功耗 Cortex-M0微控制器LPC1227及安森美半导体的NCN5120接收器-发射器IC，帮助建筑物自动化客户简化设计流程，将即可应用的高能效 KNX双绞线方案，用于照明开关及控制、供暖通风空调（HVAC）控制、百叶窗及占用情况（occupancy）检测等应用。

　　3 运动检测器无源红外控制器（PIR）

　 　安森美半导体的NCS36000无源红外控制器用于照明和占用情况感测市场，可放大和调节来自PIR传感器的信号。该器件的工作电压为3.0V— 5.75V，集成了低噪声2级放大器，有内部参考电压驱动传感器;采用带外部RC的内部振荡器;具有单脉冲或双脉冲检测功能;数字滤波器可最大限度地减少 误报;直接驱动LED和继电器。该器件是一个非常灵活的解决方案，客户可以自定义数字滤波和模拟处理，适用于各种传感器，BOM成本低于同类分立式解决方 案。

　　4 环境光及距离传感器

　　环境光传感器也是构建智能照明的重要元器 件。安森美半导体的环境光传感器具有设计灵活性，可以根据需要在EEPROM中调整，定制过滤0.0125lx检测（即明视光响应）;另外，具有暗电流和 温度补偿、最低每分辨率位功耗;高速模式的I2C接口，在断电时也不会影响总线工作。

　　图3 NOA1302环境光传感器

　　5 LED串保护方案

　 　驱动LED的首选方法是LED串联，以使LED串中的电流匹配达到相同的亮度。虽然LED非常可靠，但如果任何一个LED失效开路，由于LED串是串联 的，整串LED就会熄灭，这是街道照明等讲究高可靠性应用所不能接受的。为了解决这个问题，可以用NUD4700跨接在每个LED上，这个分流旁路保护器 可在一个LED失效开路时，确保LED串的其余部分一直点亮。NUD4700具有高通态电流能力和低断态泄漏，如果LED恢复，可自动复位到关闭状态;可 重复响应时间很短。其高可靠性有助于延长LED串和灯具寿命，使LED串能够在高电流条件下工作，因此，适合路灯、隧道照明、建筑照明、高顶灯照明，以及 列车和跑道灯等高可靠性应用。

　　6 高亮度LED模块内ESD保护

　　在装配过程和最终用户操作过程中，敏感的HBLED裸片很容易受到有害静电放电（ESD）的影响。此外，在灯和灯具装配过程中，HBLED模块易受高压ESD的影响，而可能导致损坏。

　　图4 用NUD4700保护LED串

　 　安森美半导体提供能用于光学头罩内与HBLED联合封闭的裸片级ESD保护产品。模块内硅瞬态电压抑制器（TVS）裸片可提供所需的保护，以消除故障， 有助于为各种应用创建强固的HBLED模块。模块内硅TVS裸片有两种：分装式（sub-mounted）保护器和侧装式（side-mounted）裸 片。例如CM1771是一款100V相向（back-to-back）静电放电（ESD）保护器件，采用专有的侧装式构造，能够承受高水平ESD冲击，而 且占位面积小且高度低，可在模块组装过程和灯具装配过程中保护HBLED裸片和HBLED模块，防止出现故障。

　　7 总结

　 　为了实现节能环保，政府机构、电力公司或商业企业，都在努力构建联网的LED街灯智能控制系统或是智能楼宇控制系统，利用系统中集成的环境光/距离传感 器，根据环境光的亮度和占用情况等信息来自动调节LED的光输出。安森美半导体的先进通信、传感器、KNX收发器及保护解决方案，有助于降低照明网络的总 能耗和费用支出，实现功能强大和环保的LED照明系统。

　　文章详情： 安森美智能LED街灯与楼宇照明保护方案

智能照明平台解决方案

　　一个优秀的照明平台解决方案无疑需要支持灵活的拓扑结构应用，并满足DALI、DMX512、0-10V、无线、红外等当今主流照明控制方案的调 光、组网需求，针对这种状况，世强电讯开发了以瑞萨（Renesas）电子78K0/Ix2系列MCU为核心的智能照明平台解决方案，外加丰富的参考设 计，在硬件电路和软件开发为照明厂商多样化的照明设计方案提供有效的指导，帮助厂商更高效地开发拥有自己知识产权的照明系统。

　　世强智能照明平台方案

　　世强电讯开发的智能照明平台解决方案主要基于78K0/Ix2系列MCU上述丰富的硬件功能资源为核心，定位于照明产品高性能、低成本的设计目标，在LED照明、荧光灯、HID照明等领域为客户提供多种灵活的参考设计。

　 　图2是LED驱动控制应用的参考方案，在该方案中，只需利用比较器、PWM输出连动功能，就能够独立进行3路恒流控制；通过改变内部参考电压或 PWM输出设置即可实现调光；并且MCU支持各种传感器和DALI、DMX512、模拟量输入等多种通信接口，可根据外部环境选择合适的通讯控制方案，实 现最佳控制。

　　图2-78K0/Ix2 LED驱动控制

　　下面就Flyback电路举例说明通过比较器进行恒流控制的过程。

　　图3-Flyback电路恒流控制

　 　对于开关电源，PWM占空比决定输出电压，如图3，电路开始工作后，LED电流经采样后加到MCU内置比较器端口，和参考值进行比较，产生中断信号，来 调整PWM的占空比，其变化过程见图4，如当电流大于参考值时，降低占空比；反之，提高占空比，最终达到一个负载电流动态稳定的状态。

　　 对于调光，78K0/Ix2系列MCU有多种方式来实现，通过改变比较器参考电压或者利用定时器TMH1和PWM输出连动功能，另外，世强电讯的方案也可 以利用该款MCU强大的数据处理运算能力，通过ADC功能和嵌入的算法控制来实现恒流控制，同时为MCU功能扩展提供了充足资源。

　　图4-恒流控制原理

　 　图5是世强电讯嵌入DALI协议的智能照明平台方案，该方案利用MCU内置DALI总线接口的通讯模块，利用单个MCU完成灯具调光、组网，实现高性能 的DALI绿色节能照明系统，目前已经作为国内某大型照明厂商的参考设计。DALI从机系统主要分为通讯模块和LED驱动控制模块两部分，外围电路设计简 单。

　　图5-DALI从机系统结构

　 　采用BOOST电源拓扑结构，输入电压经过升压后直接驱动LED灯；负载电流采样，通过嵌入算法实现恒流控制； MCU内置DALI通讯接口，通过总线和DALI 主机连接，实现和主机的相互通讯，完成上位机发出的操作控制指令；灯具温度、光照度传感器信号加到MCU端口，实现异常检测保护。

　　4 总结

　　以上，世强电讯基于78K0/Ix2系列MCU的智能照明平台解决方案具有以下特点：

　 　a 高性能：MCU内置ADC、比较器、数字运算放大器等丰富的硬件资源可以支持BUCK、BOOST、FLYBACK等多种灵活的电源驱动设计方案，嵌入 DALI、DMX512等照明控制协议，即可实现照明灯具调光、组网的目的。同时，该方案还具有过压、过流、过温等异常检出保护功能，产品安全性、可靠性 更高

　　b 低成本：由图3、图5可以看出世强电讯智能照明平台方案电路设计简便快捷，单MCU附加简单的外围电路即可实现智能化控制，目前众多的ASIC设计方案， 除了需要一颗MCU实现智能调光和通讯外，还需专用LED驱动芯片，在较大功率应用中，往往还需要外置的MOSFET，所以在成本方面与目前众多的 ASIC方案对比如下：

　　对比可见，世强智能照明平台方案具有很高的性价比，采用该方案将使产品更具市场竞争力；

　　78K0/Ix2 MCU自身的丰富资源有利于照明产品功能的拓展和多样化，满足不同厂商多领域的应用需求，实现高效灵活的功率级应用。

　　文章详情：基于RenesasMCU的智能照明平台设计

　　二、Dialog半导体智能照明平台

　 　我们通常说的智能照明就是指通过蓝牙、WIFI或者Zigbee等无线连接方式对灯光进行无线控制。Dialog近期推出的智能照明解决方案 iW6401就是基于蓝牙4.0进行开发的。根据Dialog半导体固态照明产品营销总监Hubie的介绍，这款产品具有蓝牙本身的低功耗和高可靠性等特 点，根据测试，其收发的最低功耗可以达到5mA，在睡眠模式的情况下还能达到5nA。另外作为全球首款全面可编程的数字化LED控制芯片，iW6401不 但具有领先的成本优势，另外还具有灵活的的改造方式。这也是iW6401的最有优势的特点。

　　强大的smarteXite技术平台

　　smarteXite是Dialog半导体推出的新一代技术平台，能够为智能照明应用打造新一代高度灵活、可编程的LED驱动器IC。另外由于smarteXite是基于完全可配置的逻辑，因此它是首个可方便和直接支持无线连接、灯光传感器控制并能轻松整合到照明控制系统中的LED驱动器技术。

smarteXite提供终极灵活性

　　作为smarteXite系 列的首款设备，iW6041能够支持多个调光接口，根据Hubie介绍，这些调光方式除了通过一个简单的市电开关进行数字调光和基于钮子开关的调光外，还 有就是最新的Ledontron数字调光协议。这所有的调光曲线都可通过内存进行配置，以获得最佳的终端用户照明体验，Hubie强调。

　　凭借标准的 C数字接口，基于smarteXite平台的iW6401可以被用作低功耗蓝牙、WIFI或者Zigbee等无线通信模块的一个功能强大的前端系统。另外它还能直接连接用于颜色和近距离感测的传感器。

　　根据Hubie介绍，iW6401还结合了Dialog在可配置型电源管理解决方案领域的强大实力和尖端的数字信号处理技术。这就使它成为全球首款可编程AC/DC LED灯管驱动IC。这就方便工程师通过软件完成和配置灯泡设计。

　　独特的可编程校准

　 　按照我们的了解，很多LED灯泡在组装以后就不能对亮度等照明亮度、颜色等进行校准，这样就会使一些LED被淘汰，造成浪费。而Dialog公司产品 iW6401独有的数字校准技术，可以在产品的不同阶段的成品链进行OTP编程，对LED进行校准，利用诊断功能实现全面的制造工艺控制，其中最后生产阶 段的校准可实现终极精准的光输出。

　　可以在不同阶段的成品链进行OTP编程

　　按照Hubie的说法，Dialog除了在驱动器芯片在满足修正和出厂预配置之后，还可以在驱动器电子元件模块测试时在线编程，通过ICT改变程序，达到校准的目的。另外在装配好产品以后，在球泡组装以后的灯泡功能测试期间，也可以根据客户指标调整灯泡亮度。

　　“Dialog会提供校准电源参考设计盒子，让灯泡芯片可以借助这个解码输入信号以调整流明的大小，以这种方式进行微调，这是市场上唯一能做到这个的产品。”Hubie强调。

　　优秀的Ledotron调光

　 　我们熟悉的LED调光方式有可控硅调光、开关切换调光和PWM调光等几种方式。Dialog作为知名的照明厂商，在调光技术方面自必然有着自身的优势， 这包括： 广泛的调光技术能力、最新的数字控制和处理技术、宽域的调光范围、最低的待机功耗。灵活的可编程、数字化故障保护功能和可编程的过热降额功能。

　　本着对调光技术的追求，Dialog在其产品中引入一个称作Ledotron的调光方式。以取代传统的调光。

Ledotron的基本工作原理

　 　Ledotron是欧司朗和英斯达为新型数字调光技术——DLT（Digital Loadside Transmission ）命名的品牌名称。DLT是一项全新调光控制模式，即插即用式的调光器，是用于取代和拓展切相调光技术的。这是一种数字化可寻址多通道协议，支持组寻址、 可调白光和颜色控制，它不但解决了切相调光器的所有问题，另外其还可以改装，在IEC62756中实现标准化。开放标准，无需授权。

　　借用这种调光技术，不但解决了切相调光器的所有兼容性问题，还有电效率高、无音频噪音、无闪光等优点，另外其远远高于传统的切相调光器电效率、可连接任意数 量的灯泡（仅受总功率的限制）也受市场欢迎。这种调光方式可使调光器和广元之间的电缆长达100米。以上种种的优势注定其在将来会掀起新一轮的调光方式的 革命。

　　既然说是智能照明，就必然需要对照明设备有智能的控制。说到这个，可以说智能手机的迅猛发展助力了智能照明的兴起，因为现在市面 上通行的做法就是在智能手机上面开发控制设备的APP。但对于一些厂商而言，开发这些软件投入的成本太大了。Dialog考虑到这一点，提供了整套的解决方案，用户可以借助其开放的API更简单的进行开发。