基于PWM的LED照明功率控制系统设计

发光二极管(LED)已迅速成为许多照明应用的首选。 LED制造商对效率和亮度的改进意味着从汽车前照灯到仓库和工厂照明等应用几乎没有其他同等选择。 LED相对于其他选项的一个重要优势是其可控性，但这确实需要使用电子电路来充分利用该技术，而不会引入诸如闪烁或过热等问题。

不仅仅是LED的有效控制是必要的，照明系统需要能够自动响应环境光等条件的变化，以及可能通过网络连接发出信号的要求变化。

传感器靠近照明组件可以确定最合适的人工照明水平，以避免浪费电力的情况。在智能温室，高棚照明和街道照明等应用中，LED可以在环境条件有利的情况下完全关闭，并随着黑暗的增加逐渐上线。与此同时，远离窗户的仓库角落等较暗的区域可以安全，高效地点亮。

原则上，LED提供的亮度易于控制。 LED的光输出是正向电流的近似线性函数。为了提供一致的照明，LED需要恒定的驱动电流。所需的电流量不仅取决于LED，还取决于环境因素。通常，亮度 - 电流曲线增加。然而，电流的增加导致LED结温升高。结温过高会导致光输出降低，整体效率降低。

提供给LED的电流并不总是保持在恒定水平。相反，高频开关用于将平均电流脉冲输出到接近恒定的水平。大多数LED照明设计采用脉冲宽度调制(PWM)来提供电流控制。

基于PWM的LED功率控制在目标亮度级别的常见配置是计算固定的关闭时间。然后，电路根据电流测量值改变施加功率以适应条件的时间。固定关断时间方法的优点是纹波电流和平均电流水平仅取决于关断时间和LED正向电压。在固定的关闭时间内，正向电压取决于串中LED的温度和数量。

软件算法可以通过实现自适应电压补偿来补偿这些影响。该算法监控LED上的电压降，并调整关闭时间长度。然后通过调节所提供的峰值电流来控制平均LED电流，该峰值电流是在LED灯供电的MOSFET开启时测量的。

STMicroelectronics的STLUX系列照明控制器提供驱动方式多达六个LED串，借助于改进的降压拓扑功率转换器独立使用固定关断时间控制。 STLUX系列照明控制器采用的控制策略的核心是状态机，事件驱动(SMED)技术。这使得控制器可以操作多个LED串，每个LED都有自己的PWM发生器，并且无需软件干预即可独立响应外部和内部事件。

内置微控制器配置和编程SMED单元，如图1所示。该微控制器基于ST8微架构，该架构基于CISC设计，可实现高代码密度，并提供低功耗优化。

图1：SMED单元与管理程序核心和I/O之间的关系。

STLUX交换机中的六个SMED中的每一个在四个状态之间，在需要冻结PWM时钟直到满足退出条件的情况下增加保持状态。一个应用是调光。当监控控制决定启动调光占空比的关闭状态时，SMED进入保持状态。当关闭状态定时器达到其极限时，SMED切换回正常操作以进行常规，精确的PWM电压控制。

运动可以在四种状态中的任何一种之间，如图2所示。进入SMED控制状态机何时以及如何转换到新的目标状态，并且SMED可以链接以构建更复杂的状态机，其中不需要完全独立控制每个字符串。

图2：SMED单元可能的状态转换。

使用96 MHz的工作频率，PWM的最大分辨率为1.3 ns。 SMED架构允许控制器在10 ns内对事件做出反应。

为了支持固定关断时间配置，基本SMED提供了足够的状态来处理核心PWM周期以及故障响应和恢复。初始化后，SMED切换到S0，主要用于控制关闭时间。在此状态下，输出PWM线设置为0 V.定时器用于确定从S0退出的时间。为了支持调光，S0可以进入保持状态以保持输出为0 V.如果不需要调光控制，则状态移至S1。

S1用作电流斜坡和故障检测状态。在转换到S1期间，PWM输出线设置为高。这会打开输出功率MOSFET，并允许电流流入LED和检测电阻。在正常情况下，在SMED处于S1期间，电流不应达到峰值安全限值。在固定关闭时间算法中，S1通常被编程为在PWM周期的接通时间的三分之一过去之后退出：在S2期间处理接通时间的剩余部分。但是，如果非常早地达到电流限制，这在正常条件下不应发生，则表示发生错误，这会强制SMED进入S3。

S2是电流限制状态，用于在正常条件下查找峰值电流水平。电流峰值由STLUX DAC上配置的电压决定。当电流峰值到达时，SMED循环回到S0状态，PWM输出在下一个固定关闭时间周期开始时切换回0 V.

S3充当过流状态。在转换期间，PWM输出关闭以保护下游电路，并且定时器设置为最大值5μs。当定时器到期时，SMED进入S0进行新的循环，但也会产生内部MCU的中断，以便软件可以监控未来的循环，必要时停止SMED转换，并生成用户警报。

当前峰值电平由比较器检测，该比较器馈入SMED。该比较器接收电流输入检测信号并将其与内部DAC值进行比较。当比较器引脚上的电压高于DAC值时，比较器输出引脚的输出变为高电平。在其他时候，输出保持低电平。

可以使用第二层PWM控制来处理调光。但是，可以使用软件来处理循环，因为它涉及比当前管理PWM算法所需的控制回路明显更慢的控制回路。为了使显着的闪烁最小化，200Hz的切换速率就足够了，将每秒切换为5ms周期。允许在每个插槽内运行PWM周期的时间长度决定了LED串的整体亮度。

对于独立的LED串，调光周期可以在相位上偏移。这有助于平衡功耗，并进一步有助于最小化整个照明阵列的明显闪烁。通过这种相移，LED串在不同时间接通和断开。为了驱动调光控制，STMR内部定时器可用于定期产生中断。该算法通过其LED串列表，计算所需亮度，激活或停用SMED单元，然后设置定时器以等待下一个调光事件。在非常低的占空比下，可以使用WFI指令使内部MCU内核进入休眠状态。这会阻止内核运行，直到收到中断为止。

虽然照明单元可能设计为独立运行，但智能照明的好处还是支持远程或网络控制。照明镇流器和控制器网络允许高度灵活性。例如，当办公室或仓库环境中的分区发生变化时，控制器可以轻松地重新编程，将照明镇流器分成不同的组。

广泛接受的控制照明系统的国际标准是数字可寻址照明接口( DALI)。 DALI的主要优势包括简单的布线拓扑结构，以及单独或作为组的一部分寻址照明单元的能力。因此，DALI适用于较旧的1 - 10伏模拟接口和复杂的基于网络的照明控制系统之间的利基。 DALI的使用并不排除集成到网络中。然而，大型系统通常通过将灯具组合在DALI链接组中来构建，这些组通过IoT网络(例如6LowPAN，以太网或线程)以宏观规模互连。

通常，DALI组将包括一个DALI控制单元，该控制单元链接到本地控制面板和各种能够检测存在和环境光水平的传感器。然后，DALI控制单元使用IoT类型协议与建筑物管理系统通信。可以使用星形或串行拓扑连接DALI单元。串行拓扑在需要覆盖长线性距离的系统(例如街道照明)以及诸如仓库的安装方面具有优势。在串行连接方案中，每个DALI单元通过串行链路连接到其最近的邻居。命令沿着串行总线传递，以便每个DALI单元可以通过广播命令寻址。

最大电缆长度由沿其长度的电压降决定，该标准在标准中定义为最大2伏。对于横截面为1.5 mm 2 的电缆，这相当于约300 m。 DALI控制电缆可与主电源电缆并列，因为该方案未被分类为分离的超低电压(SELV)。

DALI协议控制从关闭到最大的254步的照明。预计照明单元遵循对数亮度曲线。为了支持照明级别的逐渐变化，该协议允许控制器以秒为单位设置淡入淡出时间。然后，控制器可以发出命令，使各个镇流器逐步增加或减少照明，直到达到设定点。为了便于维护，镇流器可以使用状态信息向控制器报告缺少灯泡等问题。

在光线收集场景中，控制器可以使用自己的传感器完全控制照明，以确定最佳状态。每个镇流器的亮度等级，在这种情况下由基于STLUX的模块操作，发送适当的升压或降压命令。或者，STLUX内的MCU可以获得更大的自主权。在这种情况下，DALI命令设置最佳照明级别，但本地STLUX控制器使用本地连接的环境光传感器来确定所需的调光级别。一个简单的闭环控制算法可以将调光水平调整到本地传感器拾取的感应光水平。

由于8个ADC和4个比较器通道可用于SMED的电压和电流测量单元，传感器可以使用STLUX的内置I 2 C接口连接。具有I 2 C接口的环境光传感器包括德州仪器的OPT3001和Vishay半导体的VML6030。

其他传感器可以连接到I 2 C接口或由控制器用来确定何时发送DALI命令以支持更高级的控制策略。例如，在街道或停车场照明网络中，运动传感器可用于在汽车或人员经过之前增加照明，然后再设置为最小的不活动设置。