BCCU助力 MCU打造智能化LED灯泡

MCU可助力实现智慧化LED灯泡。LED照明系统商借重内建BCCU功能的MCU，大幅缩短开发出智慧化高功率LED灯泡的时程，并协助终端使用者达成轻松且精准调光的目的，同时不会出现闪烁的问题。

　　人类若想要永续生存，就必须更有效率地使用有限的能源资源。全球约有20%的电力消耗在照明，因此人们希望照明系统能更节能、更聪明且外型更美观，而发光二极体(LED)因具备能源效率、可调光及能以高品质的方式控制色彩，故愈来愈受欢迎。LED有两个特别引人注意的应用，亦即智慧型街道照明和建筑照明，这两种高功率的户外应用通常都使用高电流和高亮度的LED。

　　达成灯泡控制调变LED开关切换速度成关键

　　户外型LED灯泡的控制装置内包含电源供应器和驱动器，其中，标准电源供应器的重要元件包括桥接整流器、功率因数校正器(PFC)及半桥谐振(LLC)谐振转换器的降压转换器(图1)。

　　图1四通道LED照明引擎范例

　　LED电流系透过线性或切换式LED驱动器，固定为仔细选定的值，选定的LED电流则取决于系统元件和所需的最高亮度，如350毫安培(mA)或700毫安培。一般街灯的LED都以相同的电流驱动；建筑照明经常使用的多色灯泡，则可能使用完全不同的LED通道电流。调光时，通常是透过通讯，如数位可定址照明介面(DALI)或感测器输入(如环境光源)触发；灯泡的亮度和/或颜色则是透过调变驱动器的输入(EnableInput)加以控制。

　　调变指的是能够快速开关LED，若切换速度够快，人眼便无法辨识，看到的亮度将取决于LED开启的平均时间。最常见的调变方式为脉冲宽度调变(PWM)和脉冲密度调变(PDM)(图2)，其中，PDM能在对等的系统时脉下达到更高的解析度，电磁干扰(EMI)特性更佳，且因为本身切换速率高，因此不容易发生闪烁。

　　图2大约25%亮度下的PWM和PDM调变

　　产业界所开发适用于LED照明的微控制器(MCU)包含亮度及色彩控制单元(BCCU)，能在最多九个通道上产生PDM讯号。高功率调光灯泡的特殊挑战在于，LED驱动器需要最短的停留时间，LED驱动器EnableInput的调变讯号必须在最短的时间间隔内保持恒定。从经验法则得知，功率越高，需要的最短停留时间就越长，才能保持稳定且准确的LED电流。但在高解析度和高位元速率下，尤其是在低亮度的情况下，调变讯号却可能违反此要求。

　　目前产业界开发适用于LED照明的MCU可适时稍微重新排列调变讯号内的脉冲，自动解决此问题。脉冲会在分组电路内重新分组(图3)，产生新的脉冲，拥有所需的最短宽度并兼顾解析度，同时又能保持不闪烁。

　　图3未分组PDM与已分组PDM范例比较

　　另一项需求则是将电源供应器的负载变动降到最低(使负载变流畅)，尤其LLC谐振转换器对于高负载变动极为敏感。BCCU内的分组电路能够在不同的相对通道调变讯号间加入相移，确保讯号在不同的时间点变更状态。

　　控制LED照明和色彩BCCU担当重任

　　调变要如期运作，必须将亮度值转换为开关讯号，控制LED达到所需要的亮度，且切换能不为肉眼所察觉。达到此一要求后，第二项重要任务则是控制亮度值长时间的动态行为，使其自然呈现，并使人眼能够接受。

　　假设LED分为多重通道，动态变动也能分成两个独立的切换，其一为整体的亮度变动，也就是调光；另外则是色彩的变动，亦即相对强度的变动。调光时所有通道都会改变亮度，但其相对亮度则保持不变，维持灯泡的色彩。区分的方式便是在BCCU内产生亮度值，做为两项元件的产物，这两项元件也就是调光量和通道特定的强度。

　　人眼无法辨识线性的亮度调整，实际亮度和可察觉亮度间存在着近似对数的关系。若随时间线性调整亮度，肉眼将无法察觉恒定的变动率，因此为提供流畅、渐量且恒定的变动，调光必须以指数表现。BCCU能以指数曲线自动变更调光量，使用者只须要设定新的目标量和变色率(图4)。为能轻松混合色彩，BCCU也能使用自动化的线性调整器，在可调整的变色时间内，以线性方式变更相对的通道强度。

　　图4驱动RGB户外投影灯的BCCU

　　内建BCCU功能MCU加快智慧化照明系统开发

　　产业界开发适用于LED照明的MCU拥有BCCU的多通道架构，能够为三个独立的LED灯泡和最多九个通道产生所需要的PDM讯号，以指数方式变更调光量，并以线性方式变更强度，不需要复杂的执行时间软体。模组还加入了一些额外的功能，如高频振动的调光量转换、闪烁监控和紧急关闭的硬体设限。完成初步组态后，使用者只须要变更目标的亮度、目标的色彩和变色率。BCCU和类比数位转换器(ADC)模组能够搭配运作，实现快速、由时间触发的讯号测量，同时将中央处理器(CPU)负载降到最低(图5)。

　　图5时间触发测量的街灯范例

　　这些自动化功能可帮助工程师快速开发出精细的照明解决方案，大幅降低软体错误的风险。工程师还能利用软体开发工具链省下更多时间，只要按几下滑鼠，就能选取并设定专属的灯泡应用程式，然后交由自动代码产生器编写软体。

　　透过适合用于高功率LED灯泡智慧控制的MCU，照明应用的开发将变得快速、有效率且低风险，因为产品内有专属的模组，可相容于所有的LED驱动器，还能自动控制灯泡的色彩和亮度，使其自然不闪烁。