探索利用MCU增加LED照明系统的智能程度的方法

　　将智慧功能加入发光二极体（LED）照明应用须要将固定功能LED驱动器改换成微控制器（MCU）或可程式架构（Programmable Architecture）。对于需要进阶功能的应用而言，使用MCU可达到许多智慧功能，例如塬生调光控制（Native Dimming Control）、专业混色（Specialized Color Mixing）、适应式照明控制（Adaptive Lighting Control）及远端连结（Remote Connectivity）。

　　对于照明应用而言，电力电子（Power Electronics）产品专用的MCU甚至能有效控制灯具电源供应，使其符合成本效益，并进行照明控制及通讯。如同许多现代电子产品的趋势，改用数位控制开启了更多弹性空间，且为照明产品带来新水準的智慧功能及差异性。

　　专用MCU满足LED应用市场

　　照明产业经过快速演进，现今LED技术展现许多效益。然而，不同类型的LED照明应用，因所支援的功能不同，亦有极大的差异。其中，住宅方面的应用包括灯泡更换、重点照明（Accent Lighting）与小範围室外照明，一般而言只须点亮一或两个LED灯串，但此一市场具有成本压力，因此进阶控制尚不普遍。至于商业应用方面，包括萤光灯安定器（Fluorescent Ballast）、灯泡更换及重点照明，亦只须点亮一至两个LED灯串，同样受限于成本考量，此一市场具有高度节能意识；而高阶应用则须要远端连结与智能控制器功能。

　　此外，娱乐应用方面，则包括高阶显示器及情境照明（Mood Lighting）。完整强度控制与一致的色彩品质相当重要，对于数位寻址照明介面（DALI）或DMX-512之类的业界标準通讯协定，远端连结与支援也相当重要。室外及基础建设则包括街道照明、工厂与办公大楼照明等应用，此一市场的设备一般有为数众多的LED，并须支援许多灯串，其中，高亮度LED也相当常见，而这些应用则相当须要远端连结与高度智慧控制器。

　　降低系统建置成本　MCU实现高弹性LED照明

　　最简单的LED照明系统使用LED驱动器。这些固定功能装置可直接控制LED，且成本相当低。一般而言，这些装置可达到良好的能源效率，且不须要软体程式设定。在最坏的情况下，开发人员须进行多次计算，选择所需的驱动器，或决定电路板元件的配置值。

　　虽然LED驱动器可直接使用，不过对于较进阶的系统而言则显得弹性不足。若要支援不同类型的LED（如高瓦数或不同色彩），或不同的LED灯串配置，则可能须使用不同的解决方案。事实上，系统的任何改变（如灯串的LED数和灯串数）都可能使驱动器也须随之变更。因此，塬始设备製造商（OEM）供应的大多数照明产品都可能需要独特的类比驱动器。对于大型系列产品而言，这会增加OEM或供应商的库存品项数，而可能造成经济规模降低或设备成本提高。

　　另一方面，智能控制器能让开发人员建立更具弹性的照明系统。在MCU系统中，可设定程式码支援各种LED、独特的功率级需求、不同的灯串长度以及不同数量的灯串，而不须大幅变更硬体。系统也可另做设计，以自动侦测须要驱动哪些LED。MCU系统的可编程特性也可达到进阶调光及定序功能，提供更进阶的照明场景控制和自动化照明亮度。

　　弹性的数字化控制可使OEM能设计可控制多种产品的单一控制器。由于控制器IP可重复使用，因此也可大幅减少设计投资；弹性的控制器亦可减少库存的装置数目，同时透过更大的规模经济降低整体系统成本。

　　实现智能LED照明　数字控制整合功不可没

　　智能LED照明系统的基本架构包含叁个主要阶段，即电源转换（Power Conversion）、LED控制及通讯（图1）。电源转换阶段会将正确的电压及电流传送到LED。首先进行交流对直流（AC-DC）整流，再进行功率因数修正（PFC）阶段，最后进行一次或多次平行直流对直流（DC-DC）转换阶段。若要提供有效的电源转换，则须要精準、灵活地控制这些转换阶段。

　　

　　图1 智能LED照明系统包含电源转换、LED 控制及通讯叁个主要阶段

　　各个主要阶段皆需智能控制器维持效率及功能。使用固定功能的类比做法时，可能需要个别的PFC、DC-DC、LED及通讯控制器。然而，使用专用的电源电子产品MCU时，可透过高度整合降低灯具电源供应的元件成本。在效能、电源优化的周边及通讯连接埠充足的情况下，单一MCU可控制照明系统功率级、LED照明控制及通讯等叁大主要部分的潜力。透过MCU的数位整合功能，照明系统能减少许多不必要的元件，同时运用中央可程式平台协调控制智能照明系统的叁个主要阶段。

　　数位电源控制也能够提升动态系统的转换效率。虽然LED的效率高于传统的照明设备，运作及能源成本相对降低，但并非所有LED系统都完全相同。以任何方式进行调光、变换色彩输出或调整亮度输出时，数位电源控制能使LED照明系统的功率级达到更高的效率。同样在固定照明的情况下，MCU也能够透过更进阶的功率级设计提升运作效能。这样的效率提升对于终端使用者相当具吸引力，对于在其他方面皆相同的两个LED系统而言，是值得突显的差异之处。

　　举例来说，假设某座城市计画更换两千盏路灯，在比较两种型号时，效率达到10%的差异（图2）。值得注意的是，高效率系统的系统输入电源为178瓦（W），而低效率系统需要200瓦才能达到相同的160瓦照明输出。相当于年度能源成本节省10%，光就电源供应的能源效率计算，等于节省33，726美元，这笔节省的成本远高于LED系统所节省的成本。

　　

　　图2 电源的数位控制能够达到高于类比系统的转换效率，且节省的成本高于LED技术。在这个例子中，10%的效率差异，相当于年度能源成本节省10%，单就电源供应的能源效率计算，等于节省33，726美元。这样的效率对于终端使用者相当具吸引力，对于在其他部分皆相同的两个LED系统而言，是关键的差异。

　　灵活修正色彩与亮度　MCU提升LED照明品质

　　对于商用照明及娱乐照明等多项应用而言，照明品质相当重要。品质在此是指能够输出一致的亮度和色彩之能力。然而，製造变异（Manufacturing Variation）、温度和老化这叁个主要因素会影响LED效能。

　　此外，各批次的LED输出可能差异极大。使用同一批次的LED可维持单一装置的品质稳定。然而，如果同一产品线的装置使用不同批次的LED，可能由于製造变异而出现不同的照明品质。若将其中两个装置相邻安装，则可能产生显着差异，并令人无法接受的照明品质。透过智能MCU，即可调校系统，以弥补任何差异。由于这是以软体进行，因此，产品须维持一致时，可在製造过程中进行有效的调校程序。

　　随着环境温度变化，LED的输出也会产生变化。为因应这一点，系统须能以感测器侦测环境温度。MCU须能够读取感测器，并随之调整LED驱动，以灵活修正色彩及亮度。由于温度检查仅须定期进行，因此该功能的常用开支相当低。

　　此外，MCU亦可使系统能监控自身安全运作；如果LED的温度超过特定临界值，照明控制器可降低亮度或关闭灯串，同时远端通知操作人员发生问题。过热会使得LED提早老化，造成照明输出降低。确保LED不超过特定温度可延长其使用寿命。

　　当LED老化的同时，品质也会受影响，造成色彩配置变异。例如，红光LED的寿命比蓝光LED短，而特定电源输出或脉衝宽度调变（PWM）频率所产生的色彩会随时间改变。智能控制器可解决老化问题，并修正色彩配置，以维持LED系统在使用寿命期间一致的照明效果。

　　管理品质技术也可提升安全及效率。例如照明依环境光线而调整--大雨期间，可将部分地区路灯提早点亮；若环境光线充足，可将照明调暗，以减少电源耗用。 透过运用各种感测器及远端连线，LED照明应用的安全及效率可大幅提升。例如，交通号誌或特定路灯的感测器可监测深夜的交通路况。如果交通相当繁忙，该网路即可点亮比平时更多的路灯。

　　智能LED控制器不仅提高照明品质，还拥有调光及色彩混合等其他功能。在评估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可将个别灯光关闭或调暗。例如，在仓库中，工人可能分散在不同的空间作业，此时使用人体感测器，即可将正在使用的空间点亮，如果同一时间只有50%的楼层使用中，即可将其余的灯光关闭，节省一半的能源。

　　再次以图2的路灯为例。由于深夜交通流量减少，多数路灯的亮度可调暗。若搭配通讯网络使用动作感测器，即可按照实际的交通需求开启或关闭路灯。若路灯关闭的时间达到25%的程度（图3），则可节省25%的能源，即68，218美元。此例中，透过电源供应效率与智慧运作，系统每年总共可节省多达101，844美元，大约达到33%的程度。

　　

　　图3 在评估照明的使用方式后，如不需要完整的亮度，即可将个别灯光关闭或调暗。例如，使用人体感测器即可将目前须要使用的灯光点亮。接续图2的例子，如果路灯关闭的时间达到25%的程度，则可节省25%的能源（68，218美元）。对于此应用，透过电源供应效率与智慧运作，系统每年总共可节省多达101，844美元，大约达到33%的程度。