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。相關研究明確表明，環(huán)境光會影響人體生物學，人們的注意力現(xiàn)在已經(jīng)轉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) 的核心是可調白光 LED。但對于實現(xiàn) HCL 的設計工程師而言，最重要的是他們需要開發(fā) LED 調光電路，檢測和更改 Kelvin 溫度設置，同時設法提供必要的亮度輸出。

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

光效果

HCL 依靠可調光的高功率 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，這一色溫變化會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。

眼睛也會收集光信息，特別是環(huán)境藍光的數(shù)量。具體而言，眼睛的內在光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞 (ipRGC) 對 480 nm 附近狹窄的藍光頻率范圍非常敏感。研究表明，藍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。如果光中的這種藍色分量減少，人體就會放松并轉換為更平靜但生產(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 可以設計為產(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^可調白光 LED，使用驅動器、光引擎和可控制的通道調節(jié)燈具的白光輸出色溫來做到這一點。

在最基本的形態(tài)中，可調白光 LED 包含兩個 LED 通道：一個冷白光通道和一個暖白光通道（圖 1）?？刂茀?shù)包括亮度和色溫。二者通常借助調光器開關進行控制，其中的調光信息攜帶在電壓波形和輸送的電流中。這種方法很簡單，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光分辨率或平滑度。

圖 1： 白光 LED 調光需要兩個通道：暖白光和冷白光通道?？刂茀?shù)包括亮度和色溫。二者通常使用調光器開關或簡單的電位計進行控制。（圖片來源： Infineon Technologies）

產(chǎn)生色溫可變光所面臨的挑戰(zhàn)

對工程師而言，HCL 設計面臨以下事實帶來的挑戰(zhàn)，即固態(tài)照明 (SSL) 的相關色溫 (CCT) 會隨電壓的變化明顯改變?；诿}沖寬度調制 (PWM) 的數(shù)字調光方法應運而生。這種方法很受歡迎，因為脈沖周期的“on”部分以指定的正向電壓驅動 LED，因而可維持 CCT。與此同時，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械設計中的差異，包括熱耗散、外殼、PC 板設計和散熱器。

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

圖 2： Infineon 的 XMC1202 RGB LED 擴展板簡化了可調白光 LED 燈具的設計和評估。（圖片來源： Infineon Technologies）

該擴展板將基于 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。它提供了多種選項用于評估平滑、可保護視力的調光，以及針對不同拓撲的混色。它的配置也很輕松，并且可針對不同的 LED 光引擎和燈具進行組合，以實現(xiàn)快速原型開發(fā)。

為了給 LED 供電，擴展板采用了 DC/DC 降壓拓撲，并且能夠以恒流驅動多達三個 LED 通道?？梢詫?10 組基本的 I2C 命令發(fā)送到擴展板，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”的方法，可實現(xiàn)即時或漸變的顏色轉換。LED 通道中的線性步進器可隨時間的變化以線性方式更改強度，并提供可配置的顏色轉換時間。要實現(xiàn)平滑的顏色變化，所有通道中的線性步進時間都必須相同，并且必須在所有通道同時開始線性步進。

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

在 XMC1202 上組合 Arduino 板和代碼，可通過 4095 個分立步進值來控制燈具從色溫為 2700 K 的暖白色轉換到色溫為 5700 K 的冷白色。也可通過 4095 個分立步進值來調整光強度，以獲得調光度低至 0.5% 的無閃爍、高質量光。

在擴展板中，一個三角積分型調制器將 12 位亮度值轉換為位流，以形成脈沖密度調制 (PDM) 信號。自動線性強度變化會讓亮度或顏色的變化在人眼看來顯得平滑且自然。為實現(xiàn)這一點，選定的通道會在預先確定的持續(xù)時間內不斷改變其強度，并在同一時間達到各自的目標值，從而在正交 (CIE Lab) 顏色空間內實現(xiàn)直接轉換。

BCCU 的基本功能是在外部 LED 驅動器的端口引腳上提供自動調光信號（圖 3）。

圖 3： RGB LED 擴展板的 BCCU 在外部 LED 驅動器的端口引腳上提供自動調光信號。（圖片來源： Infineon Technologies）

兩路觸發(fā)器信號可以啟動需要的模擬到數(shù)字轉換，以便在 LED 通道 (TRIG) 上執(zhí)行無噪聲測量。也可以將調光信號路由到 CCU4 或 CCU8，它們可以直接驅動 LED 電流控制電路 (OUT)。當出現(xiàn)外部緊急事件（例如短路）時，將會出現(xiàn)陷阱狀態(tài)。此信息可直接連接到BCCU。在陷阱期間，BCCU 輸出會立即變?yōu)轭A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，以實現(xiàn)快速控制回路 (IN)。

三路可用的 MOSFET 柵極驅動輸出中的兩路被用于驅動可調白光 LED 燈具（圖 4）。

圖 4： Infineon 擴展板通過降壓拓撲 DC/DC 轉換器驅動可調白光 LED。（圖片來源： Infineon Technologies）

接口選擇和編程輔助

DMX512 接口可用于替代調光器開關來控制可調白光 LED。DMX512 常用于控制舞臺照明和劇場效果。DMX512-A 為最新標準，并由 ESTA（娛樂服務和技術協(xié)會）維護。DMX512 信號是一組持續(xù)更新的 512 個單獨的強度電平（通道）。512 個通道中的一個 DMX 鏈路被定義為通用通道。典型的劇場控制臺具有多路通用輸出。

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 是適用于可調光電子控制的非專有雙線雙向接口標準。它具有很高的靈活度，無需繼電器便能單獨或以廣播模式控制多達 16 組燈具。開關和調光均通過控制線路進行處理，并且會存儲燈具狀態(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 64 個 LED 單元。

即便以不同的調光值啟動不同的照明系統(tǒng)，或將不同類型的燈具彼此組合，DALI 也能將一個照明場景中的變化同步到另一個照明場景。這意味著，所有光源都會同時達到新的光值，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，可用于標準照明通信協(xié)議。DAVE 是基于 Eclipse 的免費集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，其中包括 GNU C 編譯器、調試器、綜合代碼存儲庫、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)和外設時鐘，以及配置 BCCU 的全局、通道和調光引擎。

實現(xiàn) HCL

Arduino 擴展板和 XMC1202 可與控制電位計搭配使用，實現(xiàn) HCL 系統(tǒng)。此應用使用板上的五個線路，以及三路可用的 MOSFET 柵極驅動輸出中的兩路，對可調光 LED 進行簡單且經(jīng)濟高效的評估。

采用兩個電位計：一個用于控制亮度，另一個用于控制色溫。這要求兩個模擬到數(shù)字轉換器 (ADC) 通道 P2.10 和 P2.11（圖 5）。這兩個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)生串擾。

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

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

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

總結

應用 HCL 來控制光度和顏色，以滿足人們的需要，這是照明和燈具設計發(fā)展的下一階段。居于核心的便是可調白光 LED。對實現(xiàn) HCL 的設計工程師而言，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，不僅能夠調光，還能檢測和更改 Kelvin 溫度設置。