發(fā)光二極管(LED)已迅速成為許多照明應用的首選。 LED制造商對效率和亮度的改進意味著從汽車前照燈到倉庫和工廠照明等應用幾乎沒有其他同等選擇。 LED相對于其他選項的一個重要優(yōu)勢是其可控性，但這確實需要使用電子電路來充分利用該技術(shù)，而不會引入諸如閃爍或過熱等問題。

不僅僅是LED的有效控制是必要的，照明系統(tǒng)需要能夠自動響應環(huán)境光等條件的變化，以及可能通過網(wǎng)絡連接發(fā)出信號的要求變化。

傳感器靠近照明組件可以確定最合適的人工照明水平，以避免浪費電力的情況。在智能溫室，高棚照明和街道照明等應用中，LED可以在環(huán)境條件有利的情況下完全關(guān)閉，并隨著黑暗的增加逐漸上線。與此同時，遠離窗戶的倉庫角落等較暗的區(qū)域可以安全，高效地點亮。

原則上，LED提供的亮度易于控制。 LED的光輸出是正向電流的近似線性函數(shù)。為了提供一致的照明，LED需要恒定的驅(qū)動電流。所需的電流量不僅取決于LED，還取決于環(huán)境因素。通常，亮度 - 電流曲線增加。然而，電流的增加導致LED結(jié)溫升高。結(jié)溫過高會導致光輸出降低，整體效率降低。

提供給LED的電流并不總是保持在恒定水平。相反，高頻開關(guān)用于將平均電流脈沖輸出到接近恒定的水平。大多數(shù)LED照明設(shè)計采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來提供電流控制。

基于PWM的LED功率控制在目標亮度級別的常見配置是計算固定的關(guān)閉時間。然后，電路根據(jù)電流測量值改變施加功率以適應條件的時間。固定關(guān)斷時間方法的優(yōu)點是紋波電流和平均電流水平僅取決于關(guān)斷時間和LED正向電壓。在固定的關(guān)閉時間內(nèi)，正向電壓取決于串中LED的溫度和數(shù)量。

軟件算法可以通過實現(xiàn)自適應電壓補償來補償這些影響。該算法監(jiān)控LED上的電壓降，并調(diào)整關(guān)閉時間長度。然后通過調(diào)節(jié)所提供的峰值電流來控制平均LED電流，該峰值電流是在LED燈供電的MOSFET開啟時測量的。

STMicroelectronics的STLUX系列照明控制器提供驅(qū)動方式多達六個LED串，借助于改進的降壓拓撲功率轉(zhuǎn)換器獨立使用固定關(guān)斷時間控制。 STLUX系列照明控制器采用的控制策略的核心是狀態(tài)機，事件驅(qū)動(SMED)技術(shù)。這使得控制器可以操作多個LED串，每個LED都有自己的PWM發(fā)生器，并且無需軟件干預即可獨立響應外部和內(nèi)部事件。

內(nèi)置微控制器配置和編程SMED單元，如圖1所示。該微控制器基于ST8微架構(gòu)，該架構(gòu)基于CISC設(shè)計，可實現(xiàn)高代碼密度，并提供低功耗優(yōu)化。

圖1：SMED單元與管理程序核心和I/O之間的關(guān)系。

STLUX交換機中的六個SMED中的每一個在四個狀態(tài)之間，在需要凍結(jié)PWM時鐘直到滿足退出條件的情況下增加保持狀態(tài)。一個應用是調(diào)光。當監(jiān)控控制決定啟動調(diào)光占空比的關(guān)閉狀態(tài)時，SMED進入保持狀態(tài)。當關(guān)閉狀態(tài)定時器達到其極限時，SMED切換回正常操作以進行常規(guī)，精確的PWM電壓控制。

運動可以在四種狀態(tài)中的任何一種之間，如圖2所示。進入SMED控制狀態(tài)機何時以及如何轉(zhuǎn)換到新的目標狀態(tài)，并且SMED可以鏈接以構(gòu)建更復雜的狀態(tài)機，其中不需要完全獨立控制每個字符串。

圖2：SMED單元可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

使用96 MHz的工作頻率，PWM的最大分辨率為1.3 ns。 SMED架構(gòu)允許控制器在10 ns內(nèi)對事件做出反應。

為了支持固定關(guān)斷時間配置，基本SMED提供了足夠的狀態(tài)來處理核心PWM周期以及故障響應和恢復。初始化后，SMED切換到S0，主要用于控制關(guān)閉時間。在此狀態(tài)下，輸出PWM線設(shè)置為0 V.定時器用于確定從S0退出的時間。為了支持調(diào)光，S0可以進入保持狀態(tài)以保持輸出為0 V.如果不需要調(diào)光控制，則狀態(tài)移至S1。

S1用作電流斜坡和故障檢測狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換到S1期間，PWM輸出線設(shè)置為高。這會打開輸出功率MOSFET，并允許電流流入LED和檢測電阻。在正常情況下，在SMED處于S1期間，電流不應達到峰值安全限值。在固定關(guān)閉時間算法中，S1通常被編程為在PWM周期的接通時間的三分之一過去之后退出：在S2期間處理接通時間的剩余部分。但是，如果非常早地達到電流限制，這在正常條件下不應發(fā)生，則表示發(fā)生錯誤，這會強制SMED進入S3。

S2是電流限制狀態(tài)，用于在正常條件下查找峰值電流水平。電流峰值由STLUX DAC上配置的電壓決定。當電流峰值到達時，SMED循環(huán)回到S0狀態(tài)，PWM輸出在下一個固定關(guān)閉時間周期開始時切換回0 V.

S3充當過流狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換期間，PWM輸出關(guān)閉以保護下游電路，并且定時器設(shè)置為最大值5μs。當定時器到期時，SMED進入S0進行新的循環(huán)，但也會產(chǎn)生內(nèi)部MCU的中斷，以便軟件可以監(jiān)控未來的循環(huán)，必要時停止SMED轉(zhuǎn)換，并生成用戶警報。

當前峰值電平由比較器檢測，該比較器饋入SMED。該比較器接收電流輸入檢測信號并將其與內(nèi)部DAC值進行比較。當比較器引腳上的電壓高于DAC值時，比較器輸出引腳的輸出變?yōu)楦唠娖?。在其他時候，輸出保持低電平。

可以使用第二層PWM控制來處理調(diào)光。但是，可以使用軟件來處理循環(huán)，因為它涉及比當前管理PWM算法所需的控制回路明顯更慢的控制回路。為了使顯著的閃爍最小化，200Hz的切換速率就足夠了，將每秒切換為5ms周期。允許在每個插槽內(nèi)運行PWM周期的時間長度決定了LED串的整體亮度。

對于獨立的LED串，調(diào)光周期可以在相位上偏移。這有助于平衡功耗，并進一步有助于最小化整個照明陣列的明顯閃爍。通過這種相移，LED串在不同時間接通和斷開。為了驅(qū)動調(diào)光控制，STMR內(nèi)部定時器可用于定期產(chǎn)生中斷。該算法通過其LED串列表，計算所需亮度，激活或停用SMED單元，然后設(shè)置定時器以等待下一個調(diào)光事件。在非常低的占空比下，可以使用WFI指令使內(nèi)部MCU內(nèi)核進入休眠狀態(tài)。這會阻止內(nèi)核運行，直到收到中斷為止。

雖然照明單元可能設(shè)計為獨立運行，但智能照明的好處還是支持遠程或網(wǎng)絡控制。照明鎮(zhèn)流器和控制器網(wǎng)絡允許高度靈活性。例如，當辦公室或倉庫環(huán)境中的分區(qū)發(fā)生變化時，控制器可以輕松地重新編程，將照明鎮(zhèn)流器分成不同的組。

廣泛接受的控制照明系統(tǒng)的國際標準是數(shù)字可尋址照明接口( DALI)。 DALI的主要優(yōu)勢包括簡單的布線拓撲結(jié)構(gòu)，以及單獨或作為組的一部分尋址照明單元的能力。因此，DALI適用于較舊的1 - 10伏模擬接口和復雜的基于網(wǎng)絡的照明控制系統(tǒng)之間的利基。 DALI的使用并不排除集成到網(wǎng)絡中。然而，大型系統(tǒng)通常通過將燈具組合在DALI鏈接組中來構(gòu)建，這些組通過IoT網(wǎng)絡(例如6LowPAN，以太網(wǎng)或線程)以宏觀規(guī)?；ミB。

通常，DALI組將包括一個DALI控制單元，該控制單元鏈接到本地控制面板和各種能夠檢測存在和環(huán)境光水平的傳感器。然后，DALI控制單元使用IoT類型協(xié)議與建筑物管理系統(tǒng)通信?？梢允褂眯切位虼型負溥B接DALI單元。串行拓撲在需要覆蓋長線性距離的系統(tǒng)(例如街道照明)以及諸如倉庫的安裝方面具有優(yōu)勢。在串行連接方案中，每個DALI單元通過串行鏈路連接到其最近的鄰居。命令沿著串行總線傳遞，以便每個DALI單元可以通過廣播命令尋址。

最大電纜長度由沿其長度的電壓降決定，該標準在標準中定義為最大2伏。對于橫截面為1.5 mm 2 的電纜，這相當于約300 m。 DALI控制電纜可與主電源電纜并列，因為該方案未被分類為分離的超低電壓(SELV)。

DALI協(xié)議控制從關(guān)閉到最大的254步的照明。預計照明單元遵循對數(shù)亮度曲線。為了支持照明級別的逐漸變化，該協(xié)議允許控制器以秒為單位設(shè)置淡入淡出時間。然后，控制器可以發(fā)出命令，使各個鎮(zhèn)流器逐步增加或減少照明，直到達到設(shè)定點。為了便于維護，鎮(zhèn)流器可以使用狀態(tài)信息向控制器報告缺少燈泡等問題。

在光線收集場景中，控制器可以使用自己的傳感器完全控制照明，以確定最佳狀態(tài)。每個鎮(zhèn)流器的亮度等級，在這種情況下由基于STLUX的模塊操作，發(fā)送適當?shù)纳龎夯蚪祲好??；蛘撸琒TLUX內(nèi)的MCU可以獲得更大的自主權(quán)。在這種情況下，DALI命令設(shè)置最佳照明級別，但本地STLUX控制器使用本地連接的環(huán)境光傳感器來確定所需的調(diào)光級別。一個簡單的閉環(huán)控制算法可以將調(diào)光水平調(diào)整到本地傳感器拾取的感應光水平。

由于8個ADC和4個比較器通道可用于SMED的電壓和電流測量單元，傳感器可以使用STLUX的內(nèi)置I 2 C接口連接。具有I 2 C接口的環(huán)境光傳感器包括德州儀器的OPT3001和Vishay半導體的VML6030。

其他傳感器可以連接到I 2 C接口或由控制器用來確定何時發(fā)送DALI命令以支持更高級的控制策略。例如，在街道或停車場照明網(wǎng)絡中，運動傳感器可用于在汽車或人員經(jīng)過之前增加照明，然后再設(shè)置為最小的不活動設(shè)置。

結(jié)論

謝謝STLUX系列設(shè)備支持基于網(wǎng)絡的控制，連接傳感器的能力以及使用先進的狀態(tài)機策略來管理LED輸出，為先進的照明系統(tǒng)提供了非常合適的基礎(chǔ)。