為 LED照明加入智能控制及通訊功能

圖一：使用脈衝電流進行調光，顏色變化上不易察覺。

LED照明的出現改變了照明的使用方式，在LED燈具中加入智能控制及調色功能為設計人員開創了新的機會。LED效率高、具調光能力、壽命長等優勢，能讓可變色燈具的效率更高、更具成本效益並且更加容易取得。數位信號控制器 (DSC)可驅動各種創新應用，能實現更高效率的LED驅動、更精確的色彩控制並與外部有著更良好的溝通。以上優勢匯集使得設計人員擁有更大的自由開發高度差異化的LED照明燈具。

低功率指示器 LED 為許多產品的基本，大多數工程師都很熟悉其簡單的設計。只要一個電壓源以及具有正確數值的串聯電阻，便能將LED電流保持在小於 5 毫安培的水準。透過連接至微控制器的通用型輸入輸出 (GPIO)接腳，可讓LED 閃爍；然而，要將超過 350 毫安培的順向電流串接在一起形成高亮度、高電流LED，其設計會變得相當複雜。設計人員在溫度變化及LED本身的高溫問題外，還需面臨電流控制的挑戰。

電流控制

高亮度LED需維持在一個相對高的定電流來保持一定的亮度和顏色。LED的光通量與流經LED的順向電流成正比，要達到一致的顏色和光線輸出，關鍵是恆定的順向電流。順向電流會跟著電壓源產生改變，造成LED發射出的光線變動。因此，需使用能主動調節順向電流的電源供應器來驅動。

溫度控制

一般而言，LED 的順向電壓會隨著溫度上升而增加，即使順向電流是不變且經過調整的。高功率LED會產生熱能，導致LED壽命縮減並提早發生故障。控制LED的順向電流能讓個別設計根據目標順向電流及預估順向電壓來決定散熱水準。使用溫度感應器提供了一個監控溫度狀況的方法。

色彩控制

LED 幾乎可以瞬間改變輸出光線，適用於需迅速改變顏色的燈具。只要簡單調整每一個 LED 的亮度，就可以紅色、綠色和藍色的LED燈串創造出任何顏色。提高或降低每一個LED的順向電流為其中一種方法，但順向電壓的改變不僅會改變亮度，也會稍微改變 LED 的顏色。在需要精確顏色的應用上將會造成問題。

另一種方法是採用脈衝電流(pulsed current)，此方法能提供相同的調光效果，卻不會讓顏色出現可察覺的變化。圖一中紅色虛線代表平均脈衝電流可創造出的亮度變化，同時保持LED順向電壓的一致性。在顏色上不會產生可察覺的變化。

數位調光控制

使用脈衝電流技術來進行調光，數位信號控制器可大幅簡化其設計。數位信號控制器上的先進脈衝寬度調變(PWM)模組，可用來產生PWM信號，用來控制LED的功率級。PWM模組具有重置輸入，可以透過快速並精確地關閉PWM輸出來控制電流，實現LED調光。調光的數量介於全滅(0)及全亮(255)數值之間的量化數字。將LED亮度設定為50%，計數器會從0數到255，並在128 (50%) 時關閉PWM的輸出，這時將無任何電流通過LED；當計數器到達最大值255時會歸0，同時PWM會重新啟動。不斷重複此過程便能產生LED調光所需的脈衝電流。一般會使用400 Hz以上的頻率來確保人眼無法看見LED的閃爍。

數位LED驅動

除了調光控制外，數位信號控制器也能主動提供電源來控制流向高亮度LED的順向電流。降壓和升壓開關模式電源供應技術(Switch Mode Power Supply；SMPS)能被用來為LED供電。
 
若LED或LED燈串的順向電壓小於電源電壓，便可使用降壓技術。如圖二所示，在此技術中，PWM會控制開關(Q)，以及當開關(Q)關閉時對應於LED順向電流的感測電阻(Rsns)電壓。數位信號控制器的比較器被用來比較流經電阻(Rsns)的電壓及可配置的內部參考電壓，此參考電壓與LED所需的順向電流成正比。感測電壓大於內部參考電壓時，類比比較器會阻止PWM打開開關(Q)，電感(L)會將儲存電流放電至二極體(D)及LED。在下一個PWM週期開始時，開關(Q)會關閉；然後不斷重複此過程。數位信號控制器可主動調整流至LED的順向電流，無需動用任何CPU的資源。

反之，若LED或LED燈串的順向電壓大於電源電壓則可使用順向電壓。PWM會控制開關(Q)，流經感測電阻(Rsns)的順向電流會被監測。數位信號控制模組上的類比數位轉換(ADC)模組會取樣流經感測電阻的電壓，對應至LED的順向電流。此數值會被比例積分(Proportional Integral；PI)控制迴路所採用，由數位信號控制器的軟體執行，根據ADC讀數及對應於所需電流的軟體參考值來調整開關(Q)的工作週期。藉由在軟體中實現PI控制迴路，數位信號控制器能提供採用多種控制迴路方式的彈性。儘可能減少PI控制迴路所使用的CPU資源，數位信號控制器可控制多個LED燈串，還能支援額外功能。

數位通訊

數位信號控制器能以智慧的方式控制LED燈具，還能執行通訊協定，無需使用獨立通訊控制裝置。例如，DMX512 照明控制協定使用標準的單向通訊，透過一個主裝置及多個從屬裝置，以512位元的封包數據速率和分別定址至每一個裝置或節點，將指令傳送至個別燈具。高速處理讓數位信號處理器(DSP)能夠快速執行控制迴路，可針對升壓轉換器優先採用控制器，還能運行DMX512等通訊協定。由於此通訊是在軟體中執行，不限於單一協定，能採用各種通訊方式來控制燈具。

縮短學習曲線

對設計人員來說，數位LED控制的學習曲線是陡峭的，藉由使用數位控制LED照明工具套件、參考設計及應用需知，事情將變得容易些。包括免費的程式原始碼、硬體文件以及可互換的功率級，以支援不同的功率拓墣。Microchip的DM330014 LED照明開發套件便提供多張LED驅動器子卡，讓設計人員在同一塊板子上實驗多種驅動級。

LED的高效率及立即調光能力，能持續驅動混色及其他照明應用的進展。加入數位信號控制器所提供的智能控制及通訊功能，設計人員將能為LED照明燈具添加先進的功能與特色，呈現出照明應用的差異性。（本文由Microchip Technology Inc. Charlie Ice提供，周維棻整理。）

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