智能家庭照明系统

意法半导体模拟暨MEMS事业部中央实验室
Aman Jha, Ranajay Mallik, Raunaque Mujeeb Quaiser and Jitendra Jain
AMG CENTRAL LAB, STMicroelectronics, Greater Noida, INDIA
Aman Jha、Ranajay Mallik，Raunaque Mujeeb Quaiser，Jitendra Jain

由于能源管理与节能现今已成全球热门话题，加上智能手机逐渐改变人类生活方式，“智能家庭照明系统”因此成为照明产业里一个备受瞩目的领域。 这个领域最大的技术进展，就是利用“低功耗蓝牙”(BLE)技术链接网络并提供遥控功能。 低功耗蓝牙是智能家庭自动化与照明领域里被十分看好的技术。 它是传统蓝牙技术的升级版，同样使用2.4GHz无线电频段。 相较于传统蓝牙技术，低功耗蓝牙较为明显的特色之一就是耗电更低，因此适合用在LED照明。

从效能、寿命、光的质量与可靠度来看，LED都是照明技术里面的佼佼者。 为LED照明添加智能功能，可进一步提升相关产品的卓越性。 选择式的开／关功能与亮度控制，可延长系统寿命并减少能耗。 当输入来自AC端且LED为恒定电流DC负载，电力质量就成为LED照明另一个必须处理的主要考虑点。 LED照明还建议采用IEC61000-3-2 Class C谐波准则、电磁干扰限制(CISPR 15)以及能源之星 (Energy Star)标章（待机耗能）。 因此并不建议使用二极管桥式整流器搭配大容量电容器为LED照明供电。 我们建议的智能型LED驱动器就能解决所有问题。

本文将探讨的智能家庭照明，采用单片式线外LED驱动器以及低功率蓝牙模块，并透过Android应用程序进行操控。这种智能家庭照明系统通过了所有由监管机关建议使用的既有准则。 此外它的待机耗能也非常低。 图1是低功耗蓝牙智能家庭照明系统的架构方块图。


图1：低功耗蓝牙智能家庭照明系统的功能方块图

图2则是智慧家庭照明系统实际使用的硬件，供生产就绪(ready-to-manufacture)解决方案开发之用。这套系统的配置主要分为三个方面：LED驱动器电源供应、微控制器单元，还有供使用者操控用的Android应用程序。LED驱动器采用了离线交直流转换器，搭配具备高功率因数(PF)和低总协波失真(THD)的准谐振反激模式。至于能源转换则采用HVLED815PF，是一种单片式线外初级传感恆定电流LED驱动器。它很适合低成本低耗能应用，因为初级端调节(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器产生LED电流反馈。它还有助于减少成本和印刷电路板面积，且符合国际电工委员会(IEC)针对照明系统所推荐的IEC61000-3-2 Class C谐波准则。这种LED驱动器在欧盟(EU)全区效率均都超过84%，待机耗电也非常之低(<0.5W)。虽然HVLED815PF芯片没有提供专用的脉宽调变(PWM)调光专用引脚，但脉宽调变调光在这款设计里仍然是可行的。调光的深度为输出功率的2.5%。有了当LED关闭时仍可运作的线外辅助电源设计，即使处于关闭状态电路板仍与公用电力系统系统保持联通。SPBTLE-RF（支持低功耗蓝牙4.1版、网路处理器模组搭配整合式射频输入，且经美国联邦通讯委员会﹝FCC﹞认证）与STM32L051（超低功率微控制器）负责网路连接，还有利用Android应用程式进行遥控、开关等功能。此外还有其他功能，例如利用单一接口进行多重电路板控制。以安装了数款LED照明灯具的一般住家来说，增设这些高级设备时最重要的一点就是节省电费。表1为智慧家庭照明系统规格，图3-8则是LED驱动器的测试结果。

图2则是智能家庭照明系统实际使用的硬件，供生产就绪(ready-to-manufacture)解决方案开发用。 这套系统的建置主要分为三个方面：LED驱动器电源供应、微控制器单元，还有供用户操控用的Android应用程序。 LED驱动器采用了脱机交直流转换器，搭配具备高功率因子(PF)和低总协波失真(THD)的准共振返驰模式。 至于能源转换则采用HVLED815PF，是一种单片式线外初级感测恒定电流LED驱动器。 它很适合低成本低耗能应用，因为初级调节回授控制(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器产生LED电流反馈。 它还有助于减少成本和印刷电路板面积，且符合国际电工委员会(IEC)针对照明系统所推荐的IEC61000-3-2 Class C谐波准则。 这种LED驱动器在欧盟(EU)全区效率均都超过84%，待机耗电也非常之低(<0.5W)。 虽然HVLED815PF芯片没有提供专用的脉宽调变(PWM)调光专用引脚，但脉宽调变调光在这款设计里仍然是可行的。 调光的深度为输出功率的2.5%。 有了当LED关闭时仍可运作的线外辅助电源设计，即使处于关闭状态电路板仍与公用电力系统系统保持联通。 SPBTLE-RF（支持低功耗蓝牙4.1版、网络处理器模块搭配整合式射频输入，且经美国联邦通讯委员会﹝FCC﹞认证）与STM32L051（超低功率微控制器）负责网络连接，还有利用Android应用程序进行遥控、开关等功能。 此外还有其他功能，例如利用单一接口进行多重电路板控制。 以装设了数款LED照明灯具的一般住家来说，增设这些高级设备时最重要的一点就是节省电费。 表1为智能家庭照明系统规格，图3-8则是LED驱动器的测试结果。


  

                           
图2：智能家庭照明系统的硬件与应用程序

表1：智能家庭照明系统规格