LED智能调光与调光控制

LED是继白炽灯、荧光灯和HID灯后的一代新型电光源，LED发光效率高，易于调光控制，调光控制范围较白炽灯、荧光灯和HID等都要宽，使用灵活方便，重要的是调光可以使照明环境更适于人的照明需求，且节能效果明显。而智能调光利用现有的网络技术和通信技术，可以方便地实现调光控制，例如利用现人们广泛使用的Wi-Fi、蓝牙和Zigbee技术可以方便的实现LED无线调光控制，通过蓝牙技术，人们可以通过自己的手机实现对LED灯具的调光控制，而Wi-Fi也是得到广泛应用的无线通信技术，在笔记本电脑、手机等通用设备上都有Wi-Fi通信控制功能。利用Wi-Fi、蓝牙和Zigbee可以方便地组网，实现对LED照明的智能调光控制。如果要求调光控制范围更宽，也可以采用如KNX、CAN和LONWORKS等相关现场总线技术来实现对LED照明的智能调光控制。

LED按调光控制方式不同可以分为模拟LED调光、PWM调光和数控LED调光等多种调光控制方式，LED数控调光利用现有的一些总线控制技术和现有的通信技术（例如ZLL、Zigbee、WiFi和Blututhe等）可以很方便地实现LED调光控制，世界上一些大照明厂商也推出了有关LED无线调光控制产品，使用方便，节能效果明显。

在照明领域引入智能控制技术可以极大地改善照明调光控制效果，LED采用智能调光控制技术，可以很方便地对照明的有关控制效果进行照明效果的预先设定，可以实现定时开关灯和对一些特殊照明效果的控制，例如通过智能照明控制可以使照明效果随音乐的变化而变化，以营造出特殊的照明效果。

LED照明调光按调光控制信号的连接方式可以分为以下两种[9]。

（1）调光控制信号和交流电源供电线合用的两线式或三线式（例如LED相控调光）调光；

（2）调光控制信号和交流电源供电线分离调光（例如0-10V、DALI、DMX512、KNX等）。

主要有以下因素会影响LED调光控制特性；

（1）LED驱动控制电路的工作特性；

（2）调光控制实现方式（例如相控LED调光、线性调光或PWM调光等）；

（3）连接在照明电路中的光源数量和光源类型等因素有关[6][7]。

在调光控制过程中可能会遇到以下有关问题：

（1）音频噪声；

（2）LED瞬间发光；

（3）LED发光回动；

（4）调光器早期失效；

（5）调光不灵敏控制区间；

（6）LED发光闪烁，出现鬼影现象；

（7）调光性能不能满足要求；

（8）调光控制范围不能满足要求；

（9）不可预见的调光控制特性曲线等[8]。

2.1 ZigBee

“Zig”的英文含义表示“之字形”，“Zag”的含义表示“急转，急变”，“Zigzag”的含义表示“之字形跳变”，“bee”表示“蜜蜂”，“Zigbee”一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“Zigzag”形舞蹈来相互告知，达到交换信息目的。即蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee早期也被称之为“Home RF Lite”、“PR-Easy link”或“FireFly”[5].

ZigBee联盟是一个由约400家成员企业组成的非营利性开放式协会，用以共同推动开发创新、可靠、易用的ZigBee标准。该联盟致力于在世界各地推广ZigBee，使其成为用于消费产品、商业和工业领域的领先无线联网、传感和控制标准。

Zigbee技术相对Wi-Fi的优点是功耗低，功耗只有Wi-Fi的1/10，并且Zigbee采用的是网状网络（mesh network），Zigbee不只是单点传递信息，而是每一个灯泡都能互相沟通，因此这样能够靠灯泡来扩大网络范围，减少环境局限与中控的压力。节能与稳定的Zigbee是智能家电非常好的解决方案。

2.2 ZigBee Light link

2007年年底，ZigBee联盟发布ZigBee Pro，2012年4月，ZigBee Light link公共应用子集诞生。ZigBee Light link（ZLL）是基于ZigBee PRO协议的一个专用于支持消费照明的公共应用子集，ZigBee Light link为照明产业提供了一个全球统一的通信标准，以保证互操作性和消费照明产品的易操作性。

由ZLL（ZigBee Light link）构成的智能照明系统如图1所示。

ZigBee Light link是透过单一网路控制不同品牌厂商的照明产品，并且同时能与多元频段的电脑、智慧型手机和平板电脑连结。

这项标准是由奇异、Greenwave Reality、欧司朗和飞利浦等大企业共同推出的无线通讯连结标准。以确保所有Zigbee Light link的灯具都能够互相连结。ZigBee Light link是为了下一代照明应用提供易于使用且直觉性的操作界面连结标准。

ZigBee Light link协议灯控制技术具有以下特点：

（1）易安装：可以集成到现有的产品中，无线布线直接安装；

（2）支持设备：灯具、灯泡、灯开关/调光器、定时装置、遥控器及所有灯光投备；

（3）易用直观：智能手机、平板及电脑现场和互联网远程控制；

（4）互操作性：ZLL标准软件规范，标准认证测试，确保所有产品互操作性；

（5）ZigBee技术：由ZigBee联盟提供开放、自由的网络，完全兼容ZigBee PRO协议规范，2.4GHz频段。

2.3 采用ZigBee Light link技术的LED智能调光灯

在LED智能照明中采用的无线传输标准有Zigbee、Wi-Fi以及蓝牙等，蓝牙4.0已经成为目前市面上智能手机的标配，只需在灯具添加低功耗蓝牙调光方式，通过应用软件，终端消费者就可以简单地去控制灯光的开关、强弱，实现节能省电的目标。

但是，蓝牙的传输距离较短，且传输通道少，Wi-Fi的功耗大，并且成本较高，因此对家居照明而言，Zigbee更具有技术和成本两方面的综合优势。

采用ZLL智能调光控制技术的LED灯结构如图2所示。可见需在LED驱动电路中再加一个ZigBee控制模块，就可以实现ZLL智能调光控制功能。采用ZLL智能调光控制技术的LED智能调光控制系统工作原理图如图3所示[2]。

Wi-Fi技术由于研发门槛低，产品成本低，同时具备相对快的速度，再加上无需网桥直接接入互联网以及与手机无缝通信的先天优势。但是Wi-Fi芯片的尺寸偏大、功耗偏高。

另外，受限于Wi-Fi自身的特性，接入方式的接入上限主要限制于Wi-Fi路由器的节点数量（典型值为数十个节点），这对那些照明设备众多的用户来说，是个需要认真考虑的因素。

例如，LIFX灯泡可以通过Wi-Fi和智能手机相连并远程控制LED灯，LIFX灯泡可以发出多种颜色，并且节能效果明显。LIFX安装起来相当方便，像其它灯泡一样转进去就可以了。在Google Play或者App Store上下载LIFX的应用之后，就可以实现在手机上对房间里的所有LIFX灯泡进行亮度、开闭和颜色的控制。还可以让LIFX随着音乐的节奏变换，在上下班或者不在家时实现自动开关灯泡。

再如Philips推出的智能灯泡Hue，Hue的字面意思是“色彩”。Hue是Philips在2012年推出的一款智能灯泡。用户通过配套的软件，可以开关灯和调节灯光颜色。每颗Hue灯泡内都有红、蓝、黑三种颜色的LED芯，理论上共可调配出1600万种颜色。Philips预置了多种不同的颜色、亮度方案，用户可以直接选择阅读模式、沙滩模式、日落模式。

使用Hue灯泡，用户可以根据不同的场景设置不同的灯光提醒。比如来电时，让Hue变个颜色，再也不用担心静音时接不到电话了。另外Hue还是一个开放源代码的平台，开发者能够根据自己的需求开发出不同的应用。

据报道，2014年4月LG宣布推出一款可以连接 iOS及Android设备的智能灯泡Smart Bulb.智能灯泡Smart Bulb支持蓝牙连接，有相应的iOS及Android app，用户可以通过智能手机来调节智能灯泡Smart Bulb的照明效果，还可以根据音乐调整自身的照明效果，或在来电时发出不同颜色的光作为提示信号。

4.1 Marvell 88EM8189的特点

Marvell 88EM8189是一款采用混合信号驱动架构的单级AC/DC恒流、智能LED驱动控器，含一个集成的I2C接口。I2C接口连接到网络微控制器，通过ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、PLC和其它技术联网提供数字调光控制功能。另外，Marvell 88EM8189的片上交直流转换器为网络单片机供电，满足能源之星在待机状态下功耗<500mW（当光线处于关闭状态）的技术要求。

Marvell 88EM8189调光范围从1%～100%完全覆盖，可以提供高效、高功率因数、低谐波LED照明应用，先进的调光技术确保深度调光，并兼容现有照明设备。高密度集成电路（ICs）降低了材料清单（BOM）成本，做出的印刷电路板（PCB）小，是一款面向智能无线灯泡的调光控制驱动IC[4].

Marvell 88EM8189与Marvell的88MZ100 ZigBee无线个域网单片机配合使用可以实现二芯片智能调光解决方案。另外，88EM8189允许向后兼容的壁式相控调光器，实现无发光闪烁的相控调光控制[3]。

88EM8189采用创新的相控调光控制算法、初级侧电流检测和控制算法、PWM控制算法、故障检测控制算法及热管理算法。可用于降压-升压（非隔离）或反激（隔离）设计拓扑应用场合。用于反激（隔离）变换的智能调光Marvell 88EM8189典型应用电路工作原理图如图4所示。

4.2 采用Marvell 88EM8189芯片实现LED智能调光控制的主要优点

采用Marvell 88EM8189芯片实现LED智能调光控制的主要优点如下[1]：

（1）单级原边控制的反激式或降压-升压型拓扑；

（2）连接至网络微控制器提供集成的I2C数字接口，可以通过ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、电力线通信（PLC）以及其它技术提供数字调光控制；

（3）偏置电源连接至网络微控制器提供集成的AC-DC转换器；

（4）关灯时，满足能源之星功耗要求(待机时<500mW)；

（5）与世界各地使用的相控壁式调光器向后兼容；

（6）采用88EM8189加88MZ100的双芯片解决方案降低了系统用料成本；

（7）有源功率因数校正，高功率因数（>0.95）；

（8）内置开路保护、短路保护和过热保护控制功能；

（9）跳脉冲工作模式可以降低待机功耗；

（10）提高了热折返工作可靠性；

（11）没有调光器阻尼和泄放电路；

（12）芯片上的高压启动电路省掉了启动电源电路，使用电路元器件数量少；

（13）无需使用光电耦合器和二次反馈电路。

1 Marvell 88EM8189 Intelligent LED Controller for Smart Wireless Light Bulbs-Integrated I2C Interface and Standby Power Supply for Networking Circuit, 2014.03.01

2 深圳市信驰达科技有限公司.ZigBee Light link智能灯光控制方案，PPT

3 Marvell 88MZ100 Zigbee SoC Solution for Home Automation and More

4 Marvell Smart LED Lighting Solutions, Marvell Smart Energy，Smart-LED-Lighting-Solutions-02 1/13

5 吴为敬.照明总线技术发展历程及未来趋势.华南理工大学，新世纪LED网，PPT

6 Flicker,U.S. Department of Energy,Energy efficiency& Renewable Energy, Building Technologies Office SOLID-STATE LIGHTING TECHNOLOGY FACT SHEET

7 Kelly Gordon，PNNL，USA，Lightfair 2014，June 3，2014，SSL：Early Lessons Learned on the Way to Market,P5

8 Brian Chemel，Founder & CTO，DoE SSL R&D Workshop，28 January 2014，PPT，P64

9 Michael Poplawski and Naomi Miller ，Pacific Northwest National Laboratory，Steps for Successful Phase-Cut Dimming of LEDs，Lightfair，06.03-05,2014，PPT P4-5