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Thursday, 2008 年 7 月 24 日

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微控制器如何進行照明應用功率控制

( 01 Apr 2008 )
Steve Bowling，Microchip Technology

低效率的的光源系統已經落伍了，請原諒我這麼說，但我們很快就會瞭解到能源消耗對環境產生了什麼樣的影響。照明應用佔用了我們能源消耗的很大部分。據美國能源部統計表明，12%的住宅能源與25%的商業能源都用於照明方面。因此，採用高效的照明技術可節約大量的能源。

白熾燈泡自從出現以來就沒什麼變化，其效率約為每瓦8流明。能效是照明專家用來衡量效率的標準，表明每瓦特的輸入功率可產生多少流明的光線輸出量。白熾燈泡所消耗功率的95%左右變成了熱量，而不是光線。有些照明產品的發光的效率比白熾燈泡高出10倍。

我這裏並不是要挑剔白熾燈泡的缺點。如果能效是光源唯一的重要因素，白熾燈泡早就該被淘汰了。根據照明應用的類型，光源的其他參數，如使用壽命、耐用性及光線效果也很重要。

要達到最佳的效能，所有的照明技術都可採用開關電源 (SMPS)。智慧控制可用於任何照明技術，透過主動節能來降低能源損耗。因此，含有SMPS控制功能的智慧嵌入式控制系統是開發高能效照明應用的必要部分。

以下有一些示例，說明嵌入式控制如何應用於不同的照明技術(也包括白熾燈泡)，這些技術提供了SMPS電路控制並添加了智慧。

調暗光線
白熾燈泡對於較高顯色指數 (CRI) 很有用處。光源的CRI 是衡量真實再現由光源照明的物體色彩能力的。單色光源的CRI 為0，因為它只有一種顏色可以重現。白熾燈泡的CRI 接近於100，這是可達到的最大值。我們對於家庭中白熾燈泡的暖色光線比較熟悉。白熾燈泡在零售照明應用也很受歡迎，它可改善所展示產品的視覺效果。

在照明應用中增加一個嵌入式處理器並不複雜，如圖 1的電路圖所示。只要調暗白熾燈的光線就可節約很多能源。圖 1 中的電路使用一個六針的PIC10F200 MCU來控制三端雙向可控矽電路。三端雙向可控矽透過控制交流輸入電壓半週期內的導通時間來控制光線密度。實際上，三端雙向可控矽對輸入的交流電壓執行PWM功能。從交流週期開始時等待較長時間，開啟三端雙向可控矽，即可降低光線密度，如圖 2所示。

需要兩個I/O 針腳來控制三端雙向可控矽電路。MCU監測輸入針腳上的交流線路電壓取樣，以得到零點交叉資訊。然後可使用零點交叉資訊來實施可變的三端雙向可控矽觸發延遲。

有些工程師會說，“我不需要用MCU來控制三端雙向可控矽。我可以使用一個簡單的RC延遲電路。”然而，MCU具有某些特定的優勢。三端雙向可控矽需要一定量的閘偏壓電流才能使電流流通。同樣，三端雙向可控矽也有最低的保持電流。一定量的電流經過三端雙向可控矽超過保持電流時，可以去除閘偏壓，三端雙向可控矽將繼續導通。

這表明，使用MCU時，三端雙向可控矽可以只用閘極上的短脈衝來激勵。這樣平均在每個交流週期上偏壓電路有較低的電流。因此，可以使用體積更小、成本更低的偏壓電路元件。MCU也需要5V電源，但因為MCU消耗不到500μ的平均電流，也可使用成本較低的電阻和齊納二極體電路。此例中使用兩個11K、1/8W的電阻，以產生MCU偏壓。

電路中有了MCU後，就可以添加額外的功能，包括遠端控制、運動感測及時間相關的功能。此外，調光控制也可實現線性化。由於交流電壓為正弦波形，在三端雙向可控矽觸發延遲與光線密度之間不會有線性關係。這些問題使用一個查詢表即可輕鬆地解決，將所需的燈光密度轉換成適當的觸發角度。

如果需要控制電路使用光電池或IR 感測器，最好用MCU的I/O針腳對這些設備進行供電。這樣，這些感測設備可以只在需要時啟用，以節省從5V偏壓電路中所消耗的功耗。

數位照明
螢光燈是比白熾燈泡更高效的光源。儘管光線效果並不令人滿意(CRI較低)，螢光燈的典型能效比白熾燈泡高十倍。螢光燈廣泛用於必須降低能源成本的商業應用中。隨著消費者對節能興趣的提高，螢光燈在住宅應用中也越來越多。

螢光燈鎮流器傳統上基於磁(電感)電路，現在迅速地轉向電子型，以改善系統能效。最低限度上，螢光燈鎮流器也要對燈管電流進行調節。燈管在不同工作狀態的電阻差別很大。螢光燈有一個填充了少量汞蒸汽及惰性氣體的玻璃燈管。燈管的兩端有鎢燈絲。

在燈管點亮之前，氣體有很高的電阻。要啟動燈管，電流透過燈絲 (不流過氣體) 將其加熱，使其發射電子。然後，透過向兩個燈絲施加高電壓在氣體混合物中引發電弧。電弧引發後，由於雪崩效應，混合氣體的電阻迅速下降。鎮流器必須降低燈絲的電壓，以維持適當的電流透過混合氣體。

在開關鎮流器應用中，通常用諧振電路來控制燈管電流。一個電感和電容與燈管串聯，如圖3所示，另一個電容與燈絲相聯。

一個方波可變頻率振盪器(VFO)透過連接到DC匯流排上的一對功率電晶體驅動諧振電路。一個死區時間產生器對功率電晶體提供了補充訊號，並確保消除了直通電流。

透過燈管的電流由VFO的頻率調節。要啟動燈管，向電路施加較高的頻率。這使電流透過燈絲及燈絲電容器Cf。高頻率運行加熱了燈絲，燈管就會啟動。

在加熱燈絲後，VFO的頻率降低。燈絲的電壓迅速上升並引發電弧。燈管點亮後，可以調節VFO的頻率以得到不同的燈管電流及光線輸出級別。

電子鎮流器電路中通常採用整流和濾波電容電路將輸入交流電壓轉換為直流匯流排，供諧振轉換器使用。可惜，這會造成鎮流器只在輸入交流電壓峰值時才會消耗電流。需要在電子鎮流器中功率因數校正 (PFC)來提高效率，並消除輸入電流諧波。

在許多鎮流器中採用不同的IC實現PFC功能、鎮流器控制功能及外部控制功能。然而，數位訊號控制器 (DSC)可用來實施全面的數位鎮流器解決方案，如圖4所示。此電路中採用dsPIC33F DSC是由於其16位的CPU具有出色的計算性能，可以同時執行PFC、控制諧振模式反相器以及根據需要回應外部控制訊號。

描述PFC電路如何工作的方式有很多，但基本上PFC電路要使輸入電流波形與輸入電壓的正弦波形保持一致。一個實施PFC最常見的方式是使用升壓電路。電感電流及其輸入電流可以由施加到電感開關上的占空比來控制。最終，經過整流的交流電壓升到較高的值，通常為400V DC左右。所以，該PFC電路是一個升壓穩壓器。穩壓功能可輕鬆地由一個數位控制回路來實現。對此穩壓器還有一個特殊的要求。它使用一個內部電流控制回路，控制PFC電路中電感的電流波形。電壓控制回路的輸出向電流控制回路發出一個命令，來設定輸入電流的大小。當電流命令傳遞到電流控制回路後，與一個經整流的輸入電壓取樣混合。混合的結果使輸入電流與輸入電壓的波形相同，如圖 5所示。

鎮流器使用兩個PWM通道來實施全數位鎮流器解決方案。一個PWM通道驅動一個連接到燈管的半橋電路。另一個PWM通道控制PFC升壓電路。ADC監測兩個電壓和兩個電流。對直流匯流排電壓、交流輸入電壓與輸入電流進行監控來實現PFC功能。對燈管電流進行監控來控制燈管亮度，並檢測燈管故障。

比例-積分-微分控制器(PID)控制器用於PFC演算法中，以調節匯流排電壓和輸入電流。可以透過修改軟體係數改變每個PID控制器(與PFC演算法)的行為。DSC設務具有所需的CPU頻寬，以執行這些PID控制器。特別的是，內部電流控制回路將以與用於到升壓電路開關的PWM訊號相同的頻率來執行。在升壓電路中通常使用100kHz或更高的頻率，以將電感尺寸縮小。

電路電流使用簡單的與電源開關串聯的分流電阻來測量。這樣可降低電路成本，但需要額外的工作來取得這些資料。分流電阻上的電壓只表示在PWM週期內某些時間的電路電流。因此，ADC測量由PWM時基自動地觸發，以保證分流電阻取樣在適當的時刻進行取樣。

需要什麼顏色？
世界上燈具最長的壽命為105年，安裝在加州的消防站中。可惜，當今多數的燈具都沒有這麼長的壽命。當使用壽命、能效及耐用性非常重要時，採用powerLED可實現最佳效果。

當今的powerLED技術具有可與螢光技術抗衡的能效。以外，power-LED的能效在今後幾年內有望翻一番。LED的使用壽命可超過50,000 小時，這對於商業應用非常有用，因為其更換燈具的成本很大。

儘管LED有很高的效能和使用壽命的優勢，白色LED的CRI值可以很低。許多白色LED帶點藍色。這是因為白色光線是利用黃色的磷光體遮蓋藍光或紅外光發光二極體，將光線轉換到所需的波長來實現的。LED所產生的最終色譜由發光二極體初始波長、及磷光體在可見光譜內傳播光能的能力所決定的。

powerLED的一種新興應用是背光照明LCD顯示器。當前的許多LCD面板都採用螢光技術來提供背光。LED技術使用單獨的紅、綠、藍色(RGB) 發光二極體，改善了LCD圖像的效果。使用單獨的發光二極體與採用白色LED技術相比，可更好地控制所產生的色譜。在三種組成顏色所限定的範圍內，可以產生任何的顏色。

RGBLED比典型的螢光技術能讓LCD面板能產生更下豐富的顏色。此外，LED可以利用視訊掃描資訊來轉換開啟與關閉狀態。與其他照明技術不同，LED可以立即開啟或立即關閉。掃描轉換允許LCD面板產生更清晰的圖像。

圖6顯示了一個RGBLED控制電路，可用於LCD面板應用或在通用照明應用中。LED必須由恒定的電流源驅動。使用多個LED時，通常串聯連接，以讓每個LED都能接收相同的電流。選擇電流驅動水準時需要權衡所產生的光線、能效及可能的熱限制等因素。

三個MCP1630開關設備用於實施恒定電流驅動器。這些設備為MCU週邊，含有SMPS 控制回路所需的模擬成分。MCU提供一個時脈訊號來設定開關頻率，並限制最大的占空比。可根據LED串可用的輸入電壓和正向電壓，此電路中可採用降壓或升壓結構。

PIC18F1330 MCU有三個14位的PWM通道，所以比較合適。這些PWM通道用來轉換三個恒定電流驅動器的輸出，並設置每種顏色的光線密度。這些高PWM解決方案可以較寬的亮度範圍內實現精確的顏色控制。

LED的波長與光線密度隨製造過程、年代及驅動電流水準而有所不同。在多數的背光照明應用中，採用主動顏色控制來保證一致的顏色和亮度。RGB感測器用於檢測每個光線輸出中的顏色成份。MCU或DSC可校定輸出感測器，確定顏色錯誤的數量，以及計算設定紅、綠、藍成份的三個PID控制常式。

本文所討論的主題並不全面，希望會對您的下一個項目有所啟發。高效的照明應用需要功率電路控制與智慧管理。可以將這些功能與MCU或DSC結合，降低電路的複雜性，而提高其彈性。

作者簡介
Steve Bowling任職於Microchip Technology，擔任技術主管工程師。

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

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