照明技術的發展及趨勢

　　照明發展歷程

　　首先，回顧照明技術的發展歷史，第一代以白熾燈為代表，優點是價格便宜，低溫啟動特性好，但是壽命短、發光效率低。第二代以熒光燈為代表，壽命較長、發光效率較高、成本較低，缺點是含重金屬汞、鎮流器/啟輝器功耗大。第三代的代表是高壓氣體光源，優點是穿透性強，反射率高，但是，含重金屬汞、顯色性低，并且需要安裝整流器。LED屬于第四代照明設備，是工作電壓低、安全節能、維護費用低、壽命長，目前的主要問題是價格較高，發熱量大，需要指出的是，目前對燈具中金屬汞的回收無廠商對應，但LED卻不含汞。

　　照明市場趨勢

　　照明在家用/商用電力消費中占有很大比重，大約17%，大量的消耗造成資源浪費、二氧化碳排放以及全球變暖等問題。因此，在全球范圍內，對綠色、節能的照明系統的需求在逐漸加大，隨著照明源的發展和改進，照明功耗逐步降低，LED的功耗僅為白熾燈的1/8。同時，照明系統采用各類通信、傳感器的智能照明控制系統，提高了應用效率。

　　日本在1998年就開展了 “21世紀照明”計劃，旨在通過LED技術使照明的能量效率提高為傳統熒光燈的兩倍。韓國、歐盟、美國也相繼提出了自己的照明規劃。我國有多項半導體照明相關的國家標準、行業標準即將出臺，財政部正在醞釀半導體照明的相關扶持政策。政府采購半導體照明示范工程項目的步伐正在加快。

　　圖1 未來照明革新

　　現代LED照明對MCU的需求

　　通用LED照明市場分類大致可分為以下幾種：室內照明、商用照明、車用照明、戶外照明、交通信號、娛樂照明、路燈和電子顯示牌，液晶背光等。

　　隨著照明需求的發展和節能減排的深入，未來照明革新可以從分時段控制、環境亮度傳感器、動作傳感器、熱量管理等角度進行技術革新。

　　未來照明革新市場潛力巨大，如圖1所示。分時段控制是指在不同時間段有不同的亮度。環境亮度傳感器可以靈活應對燈具所處環境的亮度，比如天陰的時候天黑的比平常早，那么路燈就會提前打開。動作傳感檢測器是指夜晚的時候如果燈具周圍無人活動時，會調低亮度，當檢測到有人活動時，就會調高亮度。另外，現代照明需要有多重通信方式，除了無線方式以外，DALI或DMX512等先進的照明專用通信協議使得燈具的管理更加便捷，電力線載波通信（PLC）也是近年來備受關注的方向。

　　智能照明的發展方向

　　智能照明的發展方向呈現幾個發展方向：MCU的集成度提高，所需外設減少，更加環保性;LED滿足家庭情景調光的色彩心情，更加人性化;各種通信協議，方便調光系統擴展，擴展性增強;無線連接方式使照明通信融入智能家庭，實現集成化。智能家庭的普及，可以促進綠色低碳生活、保護環境。智能混色調光，需要支持無線通信的場景照明。而APPLILET HCD工具，可以方便實現混色調光的開發調試，非常實用。

　　圖2 通過比較器進行反饋控制

　　圖3 通過A/D轉換器進行反饋控制

　　圖4 LED恒流控制操作流程圖（LED=3通道）

　　現代LED照明的要求

　　LED照明的要求包括家用照明和非家用兩種。

　　家用照明：

　　（1）更長的工作壽命

　　（2）成本低、體積小

　　（3）低功耗、，高效能

　　（4）兼容現有系統

　　非家用照明：

　　（1）低功耗、高效能

　　（2）多通道 （6條通道或更多）

　　（3）PFC控制

　　（4）PLC通信/無線通信

　　對MCU的需求則表現在如下幾個方面：

　　?精準控制電流，延長燈具壽命

　　?多種保護功能，保證燈具安全

　　?高集成度，節省空間和成本

　　?靈活且精確的調光，同等亮度更少能耗。

　　?同時為多通道提供獨立的定時器門限輸出功能

　　?通信方式多樣化，支持 IR/無線/DALI/ DMX512/ PLC/

　　?較高工作溫度 （85℃~105℃）

　　?更實用的評估方案

　　照明市場的需求

　　綜合高調光精度、低成本、節能和必須帶有應急保護功能，總結為單芯片MCU實現低成本和高性能的綠色節能照明系統。

　　MCU在LED照明中的應用

　　針對整個照明市場的MCU需求，瑞薩電子推出了對應的MCU。

　　78K0/Ix2

　　針對照明市場的這些需求，瑞薩電子的78K0/Ix2 MCU產品，很好地解決了這些問題。78K0/Ix2相應的特性有很多。78K0/Ix2的PWM輸出周期25ns，具有16位變頻定時器和內部 40MHz操作時鐘特性，滿足高精度調光需求。78K0/Ix2無需外圍IC，可由PFC控制IC、變頻控制IC和LED驅動IC（LED照明），有效降低成本。對應緊急狀態時的定時器高阻輸出，方法是和比較器/外部中斷聯動。對應可在實現 “任何亮度”，實現降低能源消耗，方法是使用傳感器/通信，而通信又包括DALI、DMX、遙控器和I2C等。照明用ASSP單片機78K0/Ix2，具有多種內存容量和引腳數可選，對應簡單到復雜的LED照明應用。

　　圖5 照明參考方案

　　圖6 智能DALI-DMX512 LED情景照明控制

　　照明用ASSP單片機78K0/Ix2的特點：

　　?內置高速晶振（CPU最高20MHz ）

　　?高速4通道16位PWM定時器 （40MHz）

　　?內置片上調試

　　?串行通信（UART，I2C，CSI），內置DALI（照明用通信）功能

　　?MCU工作溫度可達105℃

　　?可獨立控制最多4路LED

　　?可適應LED照明器具大量發熱的使用環境

　　?可方便實現DALI協議接收/發送

　　適用于照明控制的定時器的特性：

　　?計數時鐘最快達到40MHz

　　?帶死區時間PWM輸出

　　?可進行全/半橋控制

　　? 4通道同步輸出

　　?可與比較器連動進行緊急停止的功能

　　?可配合A/D轉換器進行LED恒流控制

　　?可用作LED恒流控制的開關信號或用作調光亮度控制信號

　　增強的模擬功能：

　　?定時器同步A/D轉換器

　　?內置1.2V穩壓參考

　　?3通道比較器

　　?內置運算放大器，包括PGA 模式 （×4/×8/×16/×32），獨立模式 （使用+/ -/輸出引腳）

　　?可用于LED恒流控制快速響應進行反饋操作

　　?可用于檢測來自傳感器的微小信號控制LED燈具亮度

　　恒流控制

　　恒流控制有兩種恒流控制的方式。

　　第一種是通過比較器進行反饋控制。使用比較器檢測LED電流，通過改變PWM輸出占空比實現恒流控制。通過改變比較器內置參考電壓可實現各通道的獨立調光（28級），如圖2所示。

　　第二種是通過A/D轉換器進行反饋控制，使用A/D轉換器檢測LED電流，通過改變PWM輸出占空比實現恒流控制。通過改變A/D轉換的目標值實現各通道的獨立調光，如圖3所示。

　　LED 恒流控制操作流程圖如圖4所示，如圖，有3通道的LED需要控制，是A/D轉換→PWM輸出的微調的重復操作。軟件操作過程是對CH1的反饋電阻電壓進行 A/D轉換，微調輸入到CH1的PWM波占空比，然后對通道2和通道3進行同樣操作，重復上述流程即可。三個通道的A/D轉換和檢測調整的整個周期約為 50μs。

　　圖7 78K0無驅智能調光LED燈泡參考板

　　圖8 78K0/IB2 LED路燈方案

　　綠色環保LED照明方案

　　瑞薩電子的照明參考方案由3部分組成，可通過PC端GUI進行調光控制，PC和通信板通過USB線連接，情景照明板和通信板之間可以由紅外、DALI及 DMX512三種方式實現，在瑞薩電子的照明參考方案中，可以使用AppliletEZ for HCD程序自動生成工具，實現照明控制程序的涉及、編譯和燒寫。照明參考方案如圖5所示。

　　78K0/IB2低成本高亮度LED調光（調色）控制的優點：

　　? 3通道獨立恒流控制（高亮度LED）

　　?調光控制，調色控制

　　?通信模式 （DALI，DMX512，AD輸入）

　　智能DALI-DMX512 LED情景照明控制如圖6所示。通過比較器內部參考電壓/PWM占空比，可進行3通道獨立LED調光（28級）;通過8位PWM TMH1的同步控制，可進一步提高調光精度。

　　78K0無驅智能調光LED燈泡參考板如圖7所示。普通白熾燈功耗大、且調光的能效比很低，78K0無驅智能調光LED燈泡參考板可以實現AC220V，不帶 PFC調整功能;遙控器調光 （自定義315M RF）;小巧的PCB便于集成。

　　基于78K0/IB2 LED路燈方案如圖8所示。可實現AC220V，具有 PFC;驅動總功率60W;調光通信接口可采用RS485/PLC接口。

　　開發工具

　　第一步通過器件驅動自動生成工具（Applilet2）生成器件驅動。第二步通過Project Manager（PM+）編輯程序（綜合開發環境）（源程序管理、編輯、工具管理）。第三步調試（ID78K0）和仿真通過MINICUBE2（簡易），IECube等進行操作確認。另外，對于量產型燒寫工具，除了瑞薩電子自己提供的工具意外，另有第三方工具也可支持。瑞薩電子提供照明參考方案套件，使即使初次接觸MCU，也能迅速上手。

　　問答選編

　　問：請問LED照明能否實現亮度的實時調控或是外部光線控制，如何實現？

　　答：可以實現亮度的實時調控，外部光線控制可通過增加亮度傳感器來實現。

　　問：在實際操作中，照明設計應該遵循什么原則呢？

　　答：照明設計應以人為本，但必須首先考慮安全性和實用性，還有照度要求、安裝方式、維修方式，最后才再結合人性化的創意，一個好的照明設計，必定是具備以上的先決條件的。

　　問：請介紹一下在MCU中如何實現PFC功能的？

　　答：目前方案中采用的是升壓型APFC，通過MCU內置的比較器和PWM功能實現PFC，無須外圍IC。

　　問：關于LED照明的前景怎么樣？它的發展驅勢如何？

　　答： LED照明發光效率高、壽命長、節能環保、易于實現智能化控制，是大勢所趨。一旦LED 芯片的價格有所松動，將會被廣泛應用于裝飾及家用照明領域。

　　問：決定LED路燈的工作環境溫度主要因素有那些？

　　答：路燈的環境溫度主要是由LED本身的發熱和LED等外殼大小以及散熱能力決定的。78K0/Ix2為耐溫為105℃的專用于照明的MCU，因此比通用產品更具耐溫能力更適用于照明行業。

　　問：可否對DALI和DMX512兩者進行一下比較？

　　答：DMX傳送速度為250kbps 可控制512個節點，因此在比較簡單的單點調光情況下比較適合。DALI傳輸速度為1200bps 傳輸距離為300m，可控制64個單獨節點以及16個組，因此合適復雜的情景調光模式。

　　問：78K0/Ix2系列MCU對于調光有哪些實現方法？

　　答：可以利用Timer控制PWM輸出或關閉實現調光，或者調整比較器或A/D的參考電壓降低LED上通過的電流實現調光。

　　問：請問MCU能否實現對大功率RGBLED的實時控制？硬件方面又是如何實現的？

　　答：可以實現RGB調光的實施控制，主要還是通過3通道LED的獨立控制進行調光調色。硬件方面可以使用Ix3獨立控制3個通道的RGBLED燈。反饋不是用顏色反饋，而是各個通道RGB LED的電流反饋，通過控制電流來控制亮度，達到調色的目的。

　　問：何種結構能有效的解決從LED到大氣的熱阻？風冷水冷和油冷有無實用可能性？

　　答：燈具散熱目前主要是通過金屬散熱，也看到有LED采用風冷散熱的。

　　問：現有燈具散熱設計有什么簡單可靠較好的方法？

　　答：燈具散熱確實是個重要問題，主要是在燈具設計時考慮結構散熱，電路板上的功率器件加裝散熱片，另外選用溫度特性好的器件。瑞薩電子78k0/Ix2系列MCU充分考慮照明應用的環境，溫度范圍-40℃~105℃。

　　問：78K0/Ix2是專門為照明電路設計的MCU嗎？可以用于其他的用途嗎？

　　答：該系列MCU是專為照明控制設計，側重于照明控制，但其他控制領域也可使用。

　　問：78K0是否帶LED恒流驅動器和光強度傳感器？

　　答：78K0的恒流控制主要通過定時器輸出和比較器反饋來實現，通過比較器的LED反饋電流檢測的反轉時間點來控制定時器占空比來實現恒流。此芯片不內置光強度傳感器，主要是通過恒流控制使LED達到穩定的發光。

　　問：請問混色調光是多通道控制嗎？有哪些參數需要檢測？

　　答：是多通道控制。除了必需的恒流控制和調光控制之外，在實際應用中還可以通過增加紅綠藍三色傳感器檢測混色效果，增加溫度傳感器檢測環境溫度。Ix2有多路10位A/D，可以連接多個傳感器。

　　問：不通過PWM調光，用AD監控恒流控制時，怎么理解PWM基本恒定？

　　答：PWM 根據比較器的反饋進行占空比調節，因此不是恒定的。不同的LED的相同電壓下的電流并不同，由于LED的發光是由正向電流大小決定的，所以需要用恒流控制而不是恒壓控制來實現。然后，恒流控制除了比較器反饋之外還可以通過AD檢測來實現，AD檢測可以實施進行檢測并調節電流，但是使用AD的話要需要更多的軟件處理，但是紋波更小。

　　問：參考DEMO DALI-DMX512 LED的主MCU的工作電流是多少？工作電壓是多少？

　　答：MCU全速工作功耗大約1mA ~ 2mA，在5V電壓下，如果MCU進入STOP模式，功耗可以顯著下降，大約幾μA。