隨著 LED 照明系統(tǒng)的成熟，人們已不再滿足于僅僅提供不含炫光的足夠亮度了。相關(guān)研究明確表明，環(huán)境光會(huì)影響人體生物學(xué)，人們的注意力現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)移到控制光源來影響人的生理節(jié)奏、視覺敏銳度，甚至是生產(chǎn)率。

這類以人為本的照明 (HCL) 的核心是可調(diào)白光 LED。但對(duì)于實(shí)現(xiàn) HCL 的設(shè)計(jì)工程師而言，最重要的是他們需要開發(fā) LED 調(diào)光電路，檢測(cè)和更改 Kelvin 溫度設(shè)置，同時(shí)設(shè)法提供必要的亮度輸出。

本文章將描述 HCL 及其應(yīng)用，然后介紹 Infineon Technologies 的 Arduino 兼容型 XMC1202 RGB LED 照明擴(kuò)展板。之后，我們將討論如何將該擴(kuò)展板用于評(píng)估可調(diào)白光 LED 應(yīng)用的燈具或快速制作燈具原型。

光效果

HCL 依靠可調(diào)光的高功率 LED 和微控制器來模擬自然光全天的變化。清晨的光為微紅色，色溫約 3000 K。到了中午，可能變?yōu)?6500 K。在人體內(nèi)，這一色溫變化會(huì)影響多種荷爾蒙的分泌，包括在人的睡眠周期中扮演重要角色的褪黑素。褪黑素在夜間的濃度較高，白天則較低。

眼睛也會(huì)收集光信息，特別是環(huán)境藍(lán)光的數(shù)量。具體而言，眼睛的內(nèi)在光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞 (ipRGC) 對(duì) 480 nm 附近狹窄的藍(lán)光頻率范圍非常敏感。研究表明，藍(lán)色頻譜分量較高的光可以激發(fā)和提高人為表現(xiàn)和專注力。如果光中的這種藍(lán)色分量減少，人體就會(huì)放松并轉(zhuǎn)換為更平靜但生產(chǎn)率較低的模式。

過去，一旦選定了白熾燈或日光燈，色溫的選擇就固定不變了。如果指定了傳統(tǒng)的 3500 K 燈具，則只能發(fā)出 3500 K 色溫的光。但 LED 可以設(shè)計(jì)為產(chǎn)生較寬的可見光頻譜，因而可用于人工匹配自然光的變化?？赏ㄟ^可調(diào)白光 LED，使用驅(qū)動(dòng)器、光引擎和可控制的通道調(diào)節(jié)燈具的白光輸出色溫來做到這一點(diǎn)。

在最基本的形態(tài)中，可調(diào)白光 LED 包含兩個(gè) LED 通道：一個(gè)冷白光通道和一個(gè)暖白光通道（圖 1）?？刂茀?shù)包括亮度和色溫。二者通常借助調(diào)光器開關(guān)進(jìn)行控制，其中的調(diào)光信息攜帶在電壓波形和輸送的電流中。這種方法很簡(jiǎn)單，與我們稍后將要討論的基于 DALI 或 DMX 協(xié)議的控制系統(tǒng)相比，可能不具備那樣的調(diào)光分辨率或平滑度。

圖 1： 白光 LED 調(diào)光需要兩個(gè)通道：暖白光和冷白光通道?？刂茀?shù)包括亮度和色溫。二者通常使用調(diào)光器開關(guān)或簡(jiǎn)單的電位計(jì)進(jìn)行控制。（圖片來源： Infineon Technologies）

產(chǎn)生色溫可變光所面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)工程師而言，HCL 設(shè)計(jì)面臨以下事實(shí)帶來的挑戰(zhàn)，即固態(tài)照明 (SSL) 的相關(guān)色溫 (CCT) 會(huì)隨電壓的變化明顯改變?；诿}沖寬度調(diào)制 (PWM) 的數(shù)字調(diào)光方法應(yīng)運(yùn)而生。這種方法很受歡迎，因?yàn)槊}沖周期的“on”部分以指定的正向電壓驅(qū)動(dòng) LED，因而可維持 CCT。與此同時(shí)，通過改變占空比，也可更改平均電流，從而提高或降低 LED 的亮度。

HCL 的復(fù)雜因素之一是，色溫還取決于 LED 的能效，而暖白光和冷白光 LED 之間可能存在能效差異。而且，色溫變量還可以追溯到機(jī)械設(shè)計(jì)中的差異，包括熱耗散、外殼、PC 板設(shè)計(jì)和散熱器。

盡管很復(fù)雜，但即使是沒有受過專門的 SSL 培訓(xùn)的工程師也能使用 Infineon XMC1202 RGB LED 照明擴(kuò)展板（圖 2）等開發(fā)工具輕松開發(fā) HCL 系統(tǒng)。

圖 2： Infineon 的 XMC1202 RGB LED 擴(kuò)展板簡(jiǎn)化了可調(diào)白光 LED 燈具的設(shè)計(jì)和評(píng)估。（圖片來源： Infineon Technologies）

該擴(kuò)展板將基于 ARM® Cortex®-M 的 XMC1202 32 位工業(yè) MCU 與嵌入式亮度顏色控制單元 (BCCU) 搭配使用。它提供了多種選項(xiàng)用于評(píng)估平滑、可保護(hù)視力的調(diào)光，以及針對(duì)不同拓?fù)涞幕焐Ｋ呐渲靡埠茌p松，并且可針對(duì)不同的 LED 光引擎和燈具進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)。

為了給 LED 供電，擴(kuò)展板采用了 DC/DC 降壓拓?fù)?，并且能夠以恒流?qū)動(dòng)多達(dá)三個(gè) LED 通道?？梢詫?10 組基本的 I2C 命令發(fā)送到擴(kuò)展板，以控制所連接的具有各種照明效果的 LED 燈具。

BCCU 提供了具有 12 位精度的顏色控制。通過線性“步進(jìn)”的方法，可實(shí)現(xiàn)即時(shí)或漸變的顏色轉(zhuǎn)換。LED 通道中的線性步進(jìn)器可隨時(shí)間的變化以線性方式更改強(qiáng)度，并提供可配置的顏色轉(zhuǎn)換時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)平滑的顏色變化，所有通道中的線性步進(jìn)時(shí)間都必須相同，并且必須在所有通道同時(shí)開始線性步進(jìn)。

該擴(kuò)展板作為從屬板，通過 I2C 協(xié)議與主板通信。Arduino Uno R3 和 Infineon 的 XMC1100 啟動(dòng)套件均可用作主板。

在 XMC1202 上組合 Arduino 板和代碼，可通過 4095 個(gè)分立步進(jìn)值來控制燈具從色溫為 2700 K 的暖白色轉(zhuǎn)換到色溫為 5700 K 的冷白色。也可通過 4095 個(gè)分立步進(jìn)值來調(diào)整光強(qiáng)度，以獲得調(diào)光度低至 0.5% 的無閃爍、高質(zhì)量光。

在擴(kuò)展板中，一個(gè)三角積分型調(diào)制器將 12 位亮度值轉(zhuǎn)換為位流，以形成脈沖密度調(diào)制 (PDM) 信號(hào)。自動(dòng)線性強(qiáng)度變化會(huì)讓亮度或顏色的變化在人眼看來顯得平滑且自然。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，選定的通道會(huì)在預(yù)先確定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不斷改變其強(qiáng)度，并在同一時(shí)間達(dá)到各自的目標(biāo)值，從而在正交 (CIE Lab) 顏色空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換。

BCCU 的基本功能是在外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的端口引腳上提供自動(dòng)調(diào)光信號(hào)（圖 3）。

圖 3： RGB LED 擴(kuò)展板的 BCCU 在外部 LED 驅(qū)動(dòng)器的端口引腳上提供自動(dòng)調(diào)光信號(hào)。（圖片來源： Infineon Technologies）

兩路觸發(fā)器信號(hào)可以啟動(dòng)需要的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，以便在 LED 通道 (TRIG) 上執(zhí)行無噪聲測(cè)量。也可以將調(diào)光信號(hào)路由到 CCU4 或 CCU8，它們可以直接驅(qū)動(dòng) LED 電流控制電路 (OUT)。當(dāng)出現(xiàn)外部緊急事件（例如短路）時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)陷阱狀態(tài)。此信息可直接連接到BCCU。在陷阱期間，BCCU 輸出會(huì)立即變?yōu)轭A(yù)先定義的安全無源電平。模擬比較器的輸出可用作發(fā)往 BCCU 通道的異步柵極信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)快速控制回路 (IN)。

三路可用的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出中的兩路被用于驅(qū)動(dòng)可調(diào)白光 LED 燈具（圖 4）。

圖 4： Infineon 擴(kuò)展板通過降壓拓?fù)?DC/DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)可調(diào)白光 LED。（圖片來源： Infineon Technologies）

接口選擇和編程輔助

DMX512 接口可用于替代調(diào)光器開關(guān)來控制可調(diào)白光 LED。DMX512 常用于控制舞臺(tái)照明和劇場(chǎng)效果。DMX512-A 為最新標(biāo)準(zhǔn)，并由 ESTA（娛樂服務(wù)和技術(shù)協(xié)會(huì)）維護(hù)。DMX512 信號(hào)是一組持續(xù)更新的 512 個(gè)單獨(dú)的強(qiáng)度電平（通道）。512 個(gè)通道中的一個(gè) DMX 鏈路被定義為通用通道。典型的劇場(chǎng)控制臺(tái)具有多路通用輸出。

XMC1202 等 XMC1000 產(chǎn)品也可用作數(shù)字可尋址照明接口 (DALI) 從屬板。DALI 是適用于可調(diào)光電子控制的非專有雙線雙向接口標(biāo)準(zhǔn)。它具有很高的靈活度，無需繼電器便能單獨(dú)或以廣播模式控制多達(dá) 16 組燈具。開關(guān)和調(diào)光均通過控制線路進(jìn)行處理，并且會(huì)存儲(chǔ)燈具狀態(tài)等重要信息供控制器使用。DALI 可以在單一的雙線接口上尋址多達(dá) 64 個(gè) LED 單元。

即便以不同的調(diào)光值啟動(dòng)不同的照明系統(tǒng)，或?qū)⒉煌愋偷臒艟弑舜私M合，DALI 也能將一個(gè)照明場(chǎng)景中的變化同步到另一個(gè)照明場(chǎng)景。這意味著，所有光源都會(huì)同時(shí)達(dá)到新的光值，從而為 HCL 系統(tǒng)提供一致的照明。

第 4 版 DAVE™ 作為 Infineon 的 XMC MCU 開發(fā)平臺(tái)，可用于標(biāo)準(zhǔn)照明通信協(xié)議。DAVE 是基于 Eclipse 的免費(fèi)集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，其中包括 GNU C 編譯器、調(diào)試器、綜合代碼存儲(chǔ)庫(kù)、硬件資源管理和代碼生成插件。提供完整的下載包，其中包括應(yīng)用、示例和 DAVE SDK。利用 DAVE，工程師可以配置 LED 變色系統(tǒng)和外設(shè)時(shí)鐘，以及配置 BCCU 的全局、通道和調(diào)光引擎。

實(shí)現(xiàn) HCL

Arduino 擴(kuò)展板和 XMC1202 可與控制電位計(jì)搭配使用，實(shí)現(xiàn) HCL 系統(tǒng)。此應(yīng)用使用板上的五個(gè)線路，以及三路可用的 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出中的兩路，對(duì)可調(diào)光 LED 進(jìn)行簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的評(píng)估。

采用兩個(gè)電位計(jì)：一個(gè)用于控制亮度，另一個(gè)用于控制色溫。這要求兩個(gè)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC) 通道 P2.10 和 P2.11（圖 5）。這兩個(gè)通道之前已保留用于 I2C 通信（分別為 SDA 和 SCL）。必須移除連接到 SCL 和 SDA 引腳的上拉電阻器，以免發(fā)生串?dāng)_。

圖 5： XMC1202 到電位計(jì)的連接圖示，用于實(shí)施亮度和色溫控制。（圖片來源： Infineon Technologies）

要連接到電位計(jì)，使用位于板左上角的 5 個(gè) Arduino 引腳（圖 6）。

圖 6： 電位計(jì)被連接到位于 Arduino 板左上角的 5 個(gè)引腳： SCL、SDA、5 伏直流和兩個(gè)接地。（圖片來源： Infineon Technologies）。

總結(jié)

應(yīng)用 HCL 來控制光度和顏色，以滿足人們的需要，這是照明和燈具設(shè)計(jì)發(fā)展的下一階段。居于核心的便是可調(diào)白光 LED。對(duì)實(shí)現(xiàn) HCL 的設(shè)計(jì)工程師而言，最重要的是，他們需要開發(fā)電路，在提供必要的亮度輸出的同時(shí)，不僅能夠調(diào)光，還能檢測(cè)和更改 Kelvin 溫度設(shè)置。