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如何构建智能化LED灯具关键性设计

2011-01-30 14:15
孤身万里游
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  发光二极管一直以来都被当作低成本的指示灯用在各种电子产品上。目前,它们已经成为强大的光源,可用于室内照明、标识牌、显示屏和装饰照明应用。与白炽灯和荧光灯相比,由于产生相同亮度所消耗的能量要小得多,LED的地位正在日益攀升。能源是本世纪最为热门的话题之一,而且会很快成为世界各地设计人员需要考虑的最重要问题之一。

  对灯具制造商而言,使用LED具有诸多优势。不过,试图尽早赶上LED浪潮的厂商数量也不少,因此产品的差异化非常重要。另外,当能耗和人力成本成为设计需要考虑的主要问题时,大型照明设备也几乎需要“智能化”。让灯具具备与“母”控制器通信、监测自身状况、根据监测结果调整工作模式、在失效后能够进入安全状态的能力等都是对新一代LED灯具的期望。本文将探讨部分适合于LED灯具的“智能化”选择及其实现步骤。

  

  输入低电压闭锁:

  LED驱动系统的输入电压一般是直流电压。电源由离线的AC-DC转换器或者总线提供。除了为LED驱动器供电,电源还用于为系统中的控制器供电(需先转换为适合控制器使用的5V或者3.3V电压)。控制器电源一般设计为当输入电压略高于要求的输出电压时,就开始工作。比如,5V的调节器会在输入电压达到6-7V时就开始工作。不过,这个电源的稳态可以是为由5-6个LED构成的LED串、每串电流为1A供电的24V电源。一旦控制器加电,控制器就会假定电源可用并开启LED驱动系统(假设其配置如此),随后LED驱动系统将试图进入正常工作状态。如果此时输入的电压只有10V,要求电源提供的电流将远远大于稳态下的电流,系统将由于这种瞬发的电流突增而崩溃。这种超额电流需求也会超出线缆、连接器和输入电源其他组件的额定承受能力,可能导致系统永久损坏。

  为了避免发生这种情况,系统应具有“低压闭锁”功能。采用的硬件是电阻分压器,可以逐步把输入电压降低到控制器的输入可以承受的范围。输入在内部与比较器相连。控制器(固件)的动作应该设计为只有输入电压超过正常工作的阈值时,电源部分才会启用。另外,并非比较器一开启,电压系统就马上启动。固件应对比较器的输出进行轮询,检查这种状态是否一致(因为比较器是组合逻辑电路的组成部分),然后再启动电源系统。图2是实现该功能的硬件原理图(简图)。

  

  负载(LED)监测:

  这里的负载具有经过LED且受调整的恒定电流。虽然电流调整系统已经在监测负载,这里的目的是确保有合适的负载电流流过。LED易于损坏,特别是在开路或者短路发生的时候。导致这些类型故障的原因包括线缆松动、连接器松动、PCB组装问题,等等。通道出现短路会导致MOSFET损坏(起开关作用)。鉴于这些系统的功率,在出现故障的情况下,会导致大电流的出现,并释放大量热量。为了保护系统及其周边免受故障的不良影响,控制器应具备实时监控负载状况的能力。

  我们不妨考虑开路情况,其中供电流流经的路径不存在。如果让电流调整系统自行处理,它会让开关(MOSFET)一直开着,以试图让电流流往指定的地方。但这样不会解决问题。类似的,在出现电流不受控制地突增的短路情况下。反馈系统会试图关闭开关,但如果MOSFET已经损坏,它不会对这些控制信号做出响应,问题同样无法解决。

  智能化的LED灯具应该能够检测这些状况,并将系统置于可以安全避免故障导致不良后果的状况。实现这种目标的其中一种方法是强制熔断保险丝,从而切断整个系统的电源。另一种方式是向“母”控制器发出某种信号,或者停止向“母”控制器发出某种信号,以指示故障状况。为此,系统必须能够首先监测负载电流或者电压值。为测量电流,在LED线路中引入了一个电流感应电阻,并将其两端的电压(在放大后)输入ADC。ADC的数字输出受处理器监控,并根据测得的电流值采取相应的行动。例如,如果通过LED的电流为500mA,但ADC只测得10mA,就可以视为出现故障。控制器随即向“母”控制器发出信号,启动“熔断保险丝”电路,强行熔断保险丝。

 

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