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微控制器实现照明应用功率控制
[2008.4.1]
Steve Bowling，Microchip Technology Inc.

我认为低效率的光源已经不再适用！请原谅我使用这样的双关语，但我们很快就会了解到能源消耗对环境产生了什么样的影响。照明应用占用了我们能源消耗的很大部分。据美国能源部统计表明，12%的住宅能源与25%的商业能源都用于照明方面。因此，采用高效的照明技术可节约大量的能源。

白炽灯泡自从出现以来就没什么变化，其效率约为每瓦8流明。能效是照明专家用来衡量效率的标准，表明每瓦特的输入功率可产生多少流明的光线输出量。白炽灯泡所消耗功率的95%左右变成了热量，而不是光线。有些照明产品的发光的效率比白炽灯泡高出10倍。

我这里并不是要挑剔白炽灯泡的缺点。如果能效是光源唯一的重要因素，白炽灯泡早就该被淘汰了。根据照明应用的类型，光源的其它参数，如使用寿命、耐用性及光线效果也很重要。

要达到最佳的效能，所有的照明技术都可采用开关模式电源(SMPS)。智能控制可用于任何照明技术，通过主动节能来降低能源损耗。因此，含有SMPS控制功能的智能嵌入式控制系统是开发高能效照明应用的必要部分。

以下有一些示例，说明嵌入式控制如何应用于不同的照明技术（也包括白炽灯泡），这些技术提供了SMPS电路控制并添加了智能。

调暗光线

白炽灯泡对于较高显色指数(CRI)很有用处。光源的CRI是衡量真实再现由光源照明的物体色彩能力的。单色光源的CRI为0，因为它只有一种颜色可以重现。白炽灯泡的CRI接近于100，这是可达到的最大值。我们对于家庭中白炽灯泡的暖色光线比较熟悉，白炽灯泡在零售照明应用也很受欢迎，它可改善所展示产品的视觉效果。

在照明应用中增加一个嵌入式处理器并不复杂，如图1的电路图所示。只要调暗白炽灯的光线就可节约很多能源。图1中的电路使用一个六针的PIC10F200 MCU来控制三端双向可控硅电路。三端双向可控硅通过控制交流输入电压半周期内的导通时间来控制光线密度。实际上，三端双向可控硅对输入的交流电压执行PWM功能。从交流周期开始时等待较长时间，开启三端双向可控硅，即可降低光线密度，如图2所示。

需要两个I/O引脚来控制三端双向可控硅电路。MCU监测输入引脚上的交流线路电压采样，以得到零点交叉信息。然后可使用零点交叉信息来实施可变的三端双向可控硅触发延迟。

有些工程师会说，“我不需要用MCU来控制三端双向可控硅（Triac）。我可以使用一个简单的RC延迟电路。”然而，MCU具有某些特定的优势。三端双向可控硅需要一定量的栅偏压电流才能使电流流通。同样，三端双向可控硅也有最低的保持电流。一定量的电流经过三端双向可控硅超过保持电流时，可以去除栅偏压，三端双向可控硅将继续导通。

这表明，使用MCU时，三端双向可控硅可以只用栅极上的短脉冲来激励。这样平均在每个交流周期上偏压电路有较低的电流。因此，可以使用体积更小、成本更低的偏压电路元件。MCU也需要5V电源，但因为MCU消耗不到500μ的平均电流，也可使用成本较低的电阻和齐纳二极管电路。此例中使用两个11K、1/8W的电阻，以生成MCU偏压。

电路中有了MCU后，就可以添加额外的功能，包括远程控制、运动传感及时间相关的功能。此外，调光控制也可实现线性化。由于交流电压为正弦波形，在三端双向可控硅触发延迟与光线密度之间不会有线性关系。这些问题使用一个查找表即可轻松地解决，将所需的灯光密度转换成适当的触发角度。

如果需要控制电路使用光电池或IR传感器，最好用MCU的I/O引脚对这些设备进行供电。这样，这些传感设备可以只在需要时启用，以节省从5V偏压电路中所消耗的功耗。

数字照明

荧光灯是比白炽灯泡更高效的光源。尽管光线效果并不令人满意(CRI较低)，荧光灯的典型能效比白炽灯泡高十倍。荧光灯广泛用于必须降低能源成本的商业应用中。随着消费者对节能兴趣的提高，荧光灯在住宅应用中也越来越多。

荧光灯镇流器传统上基于磁(电感)电路，现在迅速地转向电子型，以改善系统能效。最低限度上，荧光灯镇流器也要对灯管电流进行调节。灯管在不同工作状态的电阻差别很大。荧光灯有一个填充了少量汞蒸汽及惰性气体的玻璃灯管。灯管的两端有钨灯丝。

在灯管点亮之前，气体有很高的电阻。要启动灯管，电流通过灯丝(不流过气体)将其加热，使其发射电子。然后，通过向两个灯丝施加高电压在气体混合物中引发电弧。电弧引发后，由于雪崩效应，混合气体的电阻迅速下降。镇流器必须降低灯丝的电压，以维持适当的电流通过混合气体。

在开关镇流器应用中，通常用谐振电路来控制灯管电流。一个电感和电容与灯管串联，如图3所示。另一个电容与灯丝相联。

一个方波可变频率振荡器(VFO)通过连接到DC总线上的一对功率晶体管驱动谐振电路。一个死区时间发生器（dead-time generator）对功率晶体管提供了补充信号，并确保消除了直通电流。

通过灯管的电流由VFO的频率调节。要启动灯管，向电路施加较高的频率。这使电流通过灯丝及灯丝电容器Cf。高频率运行加热灯丝，灯管就会启动。

在加热灯丝后，VFO的频率降低。灯丝的电压迅速上升并引发电弧。灯管点亮后，可以调节VFO的频率以得到不同的灯管电流及光线输出级别。

电子镇流器电路中通常采用整流和滤波电容电路将输入交流电压转换为直流总线，供谐振转换器使用。可惜，这会造成镇流器只在输入交流电压峰值时才会消耗电流。需要在电子镇流器中功率因数校正(PFC)来提高效率，并消除输入电流谐波。

在许多镇流器中采用不同的IC实现PFC功能、镇流器控制功能及外部控制功能。然而，数字信号控制器(DSC)可用来实施全面的数字镇流器解决方案，如图4所示。此电路中采用dsPIC33F DSC是由于其16位的CPU具有出色的计算性能，可以同时执行PFC、控制谐振模式逆变器以及根据需要响应外部控制信号。

描述PFC电路如何工作的方式有很多，但基本上PFC电路要使输入电流波形与输入电压的正弦波形保持一致。一个实施PFC最常见的方式是使用升压电路。电感电流及其输入电流可以由施加到电感开关上的占空比来控制。最终，经过整流的交流电压升到较高的值，通常为400V DC左右。所以，该PFC电路是一个升压稳压器。稳压功能可轻松地由一个数字控制回路来实现。对此稳压器还有一个特殊的要求。它使用一个内部电流控制回路，控制PFC电路中电感的电流波形。电压控制回路的输出向电流控制回路发出一个命令，来设定输入电流的大小。当电流命令传递到电流控制回路后，与一个经整流的输入电压采样混合。混合的结果使输入电流与输入电压的波形相同，如图5所示。

镇流器使用两个PWM通道来实施全数字镇流器解决方案。一个PWM通道驱动一个连接到灯管的半桥电路。另一个PWM通道控制PFC升压电路。ADC监测两个电压和两个电流。对直流总线电压、交流输入电压与输入电流进行监控来实现PFC功能。对灯管电流进行监控来控制灯管亮度，并检测灯管故障。

比例-积分-微分控制器(PID)控制器用于PFC算法中，以调节总线电压和输入电流。可以通过修改软件系数改变每个PID控制器(与PFC算法)的行为。DSC设务具有所需的CPU带宽，以执行这些PID控制器。特别的是，内部电流控制回路将以与用于到升压电路开关的PWM信号相同的频率来执行。在升压电路中通常使用100kHz或更高的频率，以将电感尺寸缩小。

电路电流使用简单的与电源开关串联的分流电阻来测量。这样可降低电路成本，但需要额外的工作来取得这些数据。分流电阻上的电压只表示在PWM周期内某些时间的电路电流。因此，ADC测量由PWM时基自动地触发，以保证分流电阻采样在适当的时刻进行采样。

需要什么颜色

世界上灯具最长的寿命为105年，它安装在加利福尼亚州的消防站中。可惜，当今多数的灯具都没有这么长的寿命。当使用寿命、能效及耐用性非常重要时，采用power LED可实现最佳效果。

当今的power LED技术具有可与荧光技术抗衡的能效。以外，power-LED的能效在今后几年内有望翻一番。LED的使用寿命可超过50,000小时，这对于商业应用非常有用，因为其更换灯具的成本很大。

尽管LED有很高的效能和使用寿命的优势，白色LED的CRI值可以很低。许多白色LED带点蓝色。这是因为白色光线是利用黄色的磷光体遮盖蓝光或红外光发光二极管，将光线转换到所需的波长来实现的。LED所产生的最终色谱由发光二极管初始波长、及磷光体在可见光谱内传播光能的能力所决定的。

Power LED的一种新兴应用是背光照明LCD显示器。当前的许多LCD面板都采用荧光技术来提供背光。LED技术使用单独的红、绿、蓝色(RGB)发光二极管，改善了LCD图像的效果。使用单独的发光二极管与采用白色LED技术相比，可更好地控制所产生的色谱。在三种组成颜色所限定的范围内，可以产生任何的颜色。

RGB LED比典型的荧光技术能让LCD面板能产生更下丰富的颜色。此外，LED可以利用视频扫描信息来调制开启与关闭状态。与其它照明技术不同，LED可以立即开启或立即关闭。扫描调制允许LCD面板产生更清晰的图像。

图6显示了一个RGB LED控制电路，可用于LCD面板应用或在通用照明应用中。LED必须由恒定的电流源驱动。使用多个LED时，通常串联连接，以让每个LED都能接收相同的电流。选择电流驱动水平时需要权衡所产生的光线、能效及可能的热限制等因素。

三个MCP1630开关设备用于实施恒定电流驱动器。这些设备为MCU外设，含有SMPS控制回路所需的模拟成分。MCU提供一个时钟信号来设定开关频率，并限制最大的占空比。可根据LED串可用的输入电压和正向电压，此电路中可采用降压或升压结构。

PIC18F1330 MCU有三个14位的PWM通道，所以比较合适。这些PWM通道用来调制三个恒定电流驱动器的输出，并设置每种颜色的光线密度。这些高PWM解决方案可以较宽的亮度范围内实现精确的颜色控制。

LED的波长与光线密度随制造过程、年代及驱动电流水平而有所不同。在多数的背光照明应用中，采用主动颜色控制来保证一致的颜色和亮度。RGB传感器用于检测每个光线输出中的颜色成份。MCU或DSC可校定输出传感器，确定颜色错误的数量，以及计算设定红、绿、蓝成份的三个PID控制例程。

本文所讨论的主题并不全面。希望会对您的下一个项目有所启发。高效的照明应用需要功率电路控制与智能管理。可以将这些功能与MCU或DSC结合，降低电路的复杂性，而提高其灵活性。

Captions:

图1. 使用MCU的三端双向可控硅调光电路。

图2. 三端双向可控硅波形与触发延迟。

图3. 用于荧光灯镇流器应用谐振的开关模式电路。

图4. 使用DSC的荧光灯镇流器应用。

图5. 数字PFC算法运算。

图6. 主动RGB颜色控制应用简化方块图。

Click here for Illustrations:

Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4, Figure 5, Figure 6

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