LED照明控制系统模型及层次分析

本文将介绍LED照明控制系统的两种主要模型，说明电子信息技术在LED照明中的应用，并在此基础上，将LED照明控制系统分成八个层次，逐层阐述，帮助工程师全面了解LED照明控制系统的设计。

1、LED照明控制系统模型

与传统的照明方式相比，LED照明有许多独特的地方，主要表现在：从结构上看，传统照明的光源和灯具是分离的，而LED照明在结构可以实现配光、散热及灯具的一体化设计；从功能上看，只有少部分的传统照明可以实现调光，而LED照明不仅能实现亮度的调节，还能实现色彩与色温的调节。此外，LED照明比传统照明方式更适合智能化与数字化的控制，组成复杂的照明系统。

基于LED照明的这些特性，大体可以给出了三种模型，分别针对LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明与太阳能风能的结合设计，说明电子信息技术在LED照明中一些应用。

1.1 模型一：电源+光源
现代电光源的工作本质就是将电能转化为光能，同时伴随一定的散热。所以，LED的通用照明模型中就只包括电源和光源两部分。在这种模型下，只能实现照明的开关控制，不能实现照明的调光、通信、反馈等功能。

电源具体是指AC-DC恒流型开关电源。AC-DC是指交流到直流的转换，因为LED实际上是一个半导体二极管，它是在直流电压下工作的。LED还有一个特性就是其工作电流近似值是工作电压的指数函数，电压的微小波动就会引起电流的巨大变化，严重时会直接烧毁LED,所以要保证LED的安全工作，必须使其工作电流恒定。通常家用电器的电源都是恒压的，LED的特性决定了它要采用恒流电源。为了提高LED工作的可靠性，我们一般要采用隔离型的开关电源，实现LED与市电电网的有效隔离。和开关电源相对应的，还有一类叫线性电源，现在已经很少使用了，因为开关电源在效率和体积上更占优势。现在的开关电源技术，能将转换效率做到85%甚至更高，功率因数0.95以上，总谐波在15%以内。这些指标也是我们选择开关电源的基本要求。

光源就是LED芯片，这是LED照明的核心元件。除了工作电流、管压降等电学参数外，我们更关心的是它的光学指标，如光通量、光效、色温、显色指数、光衰等等。LED的光学性能与其温度密切相关，温度的升高会引起光效降低、色温漂移、寿命下降等问题，因此散热技术在LED照明中尤为重要。热力学知识告诉我们，物体的散热只有三种方式：传导、对流和辐射。由于LED芯片只是固定的发出某种波长的可见光，所以不存在红外辐射散热。在LED中，主要是传导散热，同时伴随一定的对流散热。减少LED的热传导环节和降低每个环节的热阻，必要时采用强制风冷，都是散热设计中的考虑因素。

1.2 模型二：电源+控制+光源
模型二比模型一多了一个控制模块，这就大大丰富了LED照明的功能。如果说模型一只是一个照明产品，那么模型二可以说是一个照明系统了。由于加入了控制模块，电源就变成恒压型开关电源了，但是LED光源的工作还是需要恒流型电源，这部分（恒流驱动）我们放在控制模块中一起实现了。下面，我们重点分析一下LED照明的控制系统。
 

2 LED照明控制系统的八大层次分析

LED照明的控制系统，可大可小，功能丰富。如：无线遥控调光系统、色温可调照明系统、RGB调光调色系统、模拟日光照明系统、带DALI协议的智能照明系统、基于ZigBee和GPRS的无线路灯控制系统等。透过现象看本质，所有这些照明控制系统，都是利用电子技术领域中的嵌入式技术、通信技术、传感器技术、计算机技术以及电力电子技术等发展建立起来的。看似纷繁复杂化，其实有据可循。

为了理清脉络，我们可以将LED照明控制系统分为8个层次，逐层阐述。如果我们能够把每个层次的技术方案做好，那么任何复杂的控制系统我们都可以像“搭积木”一样，轻松的实现。

LED照明控制系统的8个层次由底向上依次为：供电层、驱动层、光层、感器层、议层、信层、作层、统实现层。

2.1 供电层
供电层为整个控制系统提供高效稳定的直流电源。与LED光源工作需要的恒流电源不同，控制系统的工作需要的是恒压电源。供电层的电源获得有两个途径：一是从LED照明灯具上的恒压电源上获取，这是一个DC-DC（直流到直流）转换，因为灯具上的恒压电源的电压通常很高，而控制系统的电压很低，所以要做一个从直流到直流的降压转换；二是从交流市电获取，这是一个AC-DC（交流到直流）转换，为了安全，通常也要做成隔离型的开关电源，因为控制系统的功耗通常很低，所以这里的恒压电源对转换效率的要求就不是很高。

2.2 驱动层
前面提到，模型二中电源部分是恒压源，而LED光源的工作需要恒流源，因此，在控制系统中要有一个恒流驱动模块，为LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驱动的设计上，一般是采用专用的驱动芯片，并配合一定的外围电路。

驱动芯片的输出端通常是带有一串LED,输出的恒定电流就是LED的工作电流。输出的电压范围越高，可带的LED数量就越多。也有例外的情况，输出端要并联多串LED,这时，我们要给每串LED串联一个小电阻来实现电流的分流。驱动芯片一般还有一个PWM（脉冲宽度调制）的端口，用于实现调光控制，这是实现智能照明的基础。恒流驱动方案的优劣，直接关系到LED照明的可靠性和使用寿命。因此，对LED驱动技术的研究，尤为重要。

2.3 调光层
LED照明之所以容易实现智能控制，是因为它容易实现调光控制。所有智能化功能的体现，都是通过调光功能实现的。对于LED照明调光的理解，不能只限于调节光的亮度，还包括对LED色温和色彩的调节。这也正是LED照明能够颠覆传统照明的一个主要因素。调光技术的实现方式，有模拟和数字两种。其中，数字调光主要是通过PWM（脉冲宽度调制）技术实现的，它是现在LED调光方案的主要手段。PWM信号可以通过对微控制器的编程实现，产生不同的占空比，从而实现LED照明的调光。设计一款LED“三调”（亮度、色温、色彩）功能的集成方案，是这个层次的研究重心。

2.4传感器层
前面讲到的驱动层和调光层，是从系统输出的角度分析的。显然，传感器层就是智能系统的输入了。它就像智能系统的眼睛和耳朵，能够感受外部环境的变化，并把这些变化转化成电学信号，传递给智能系统的大脑--中央处理器，进行分析和处理。在照明控制领域，我们关心的传感器主要有：光敏传感器，采集自然光的亮度信息；人体传感器，检测灯具附近是否有人的存在；温度传感器，采集外部环境的温度信息；还有对系统工作时的电流电压等数据的采集和分析。

2.5 协议层
没有规矩不成方圆。要实现智能照明系统的内部各个模块间的有序协调工作，必须有一套完善的“规章制度”,用来传达指令和执行操作。这套制度就是智能系统的协议。在目前的照明行业中，有两套比较成熟的协议，一是照明通信中的DALI（DigitalAddressablELightingInterface数字可寻址照明接口）协议，另一是实现RGB色彩控制的DMX512协议。遗憾的是，这两套协议都不是为LED照明量身定做的。对于LED照明控制相关协议的研究，现在也是一个热点，国际上还没有统一的标准。这对我们来说，也许是个机遇！

2.6 通信层
在电子信息领域，协议的传输，是以通信技术为载体来实现的。LED照明中通信，主要有三种方式：总线方式、电力线载波方式和无线射频方式。总线方式，以其技术成熟，可靠性高，组网简单，成本适中等优点，是目前应用最多的通信手段，如RS485总线。电力线载波方式，是通过交流电网来传递协议，免去了重复布线的成本，应该说是一种优秀的通信手段。但是，它对电网的质量要求很高，鉴于目前我国电网的谐波污染很严重，这种方式是否适合我国国情，还有待考证。无线射频方式，现在最热门的技术是ZigBee.它是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。

2.7 操作层
这个层次实现了用户和系统的信息交互。对于人机交互软件的设计，操作简单，界面友好，便于维护和升级，应该是首要考虑的因素。按照应用的场合不同，交互软件可分为两大类：一类运行于嵌入式系统；另一类运行于PC机。

2.8 系统实现层
在这个层次，我们是对控制系统做全局的分析和设计，利用前面7个层次的研究成果，完成整个系统的搭建。也就是说，这个层次的设计是以前面7个层次为基础的，是对前7个层次研究成果的综合。