控制白光 LED 以实现以人为本的照明

随着 LED 照明系统的成熟，人们已不再满足于仅仅提供不含炫光的足够亮度了。相关研究明确表明，环境光会影响人体生物学，人们的注意力现在已经转移到控制光源来影响人的生理节奏、视觉敏锐度，甚至是生产率。

这类以人为本的照明 (HCL) 的核心是可调白光 LED。但对于实现 HCL 的设计工程师而言，最重要的是他们需要开发 LED 调光电路，检测和更改 Kelvin 温度设置，同时设法提供必要的亮度输出。

本文章将描述 HCL 及其应用，然后介绍 Infineon Technologies 的 Arduino 兼容型 XMC1202 RGB LED 照明扩展板。之后，我们将讨论如何将该扩展板用于评估可调白光 LED 应用的灯具或快速制作灯具原型。

光效果

HCL 依靠可调光的高功率 LED 和微控制器来模拟自然光全天的变化。清晨的光为微红色，色温约 3000 K。到了中午，可能变为 6500 K。在人体内，这一色温变化会影响多种荷尔蒙的分泌，包括在人的睡眠周期中扮演重要角色的褪黑素。褪黑素在夜间的浓度较高，白天则较低。

眼睛也会收集光信息，特别是环境蓝光的数量。具体而言，眼睛的内在光敏视网膜神经节细胞 (ipRGC) 对 480 nm 附近狭窄的蓝光频率范围非常敏感。研究表明，蓝色频谱分量较高的光可以激发和提高人为表现和专注力。如果光中的这种蓝色分量减少，人体就会放松并转换为更平静但生产率较低的模式。

过去，一旦选定了白炽灯或日光灯，色温的选择就固定不变了。如果指定了传统的 3500 K 灯具，则只能发出 3500 K 色温的光。但 LED 可以设计为产生较宽的可见光频谱，因而可用于人工匹配自然光的变化。可通过可调白光 LED，使用驱动器、光引擎和可控制的通道调节灯具的白光输出色温来做到这一点。

在最基本的形态中，可调白光 LED 包含两个 LED 通道：一个冷白光通道和一个暖白光通道（图 1）。控制参数包括亮度和色温。二者通常借助调光器开关进行控制，其中的调光信息携带在电压波形和输送的电流中。这种方法很简单，与我们稍后将要讨论的基于 DALI 或 DMX 协议的控制系统相比，可能不具备那样的调光分辨率或平滑度。

图 1： 白光 LED 调光需要两个通道：暖白光和冷白光通道。控制参数包括亮度和色温。二者通常使用调光器开关或简单的电位计进行控制。（图片来源： Infineon Technologies）

产生色温可变光所面临的挑战

对工程师而言，HCL 设计面临以下事实带来的挑战，即固态照明 (SSL) 的相关色温 (CCT) 会随电压的变化明显改变。基于脉冲宽度调制 (PWM) 的数字调光方法应运而生。这种方法很受欢迎，因为脉冲周期的“on”部分以指定的正向电压驱动 LED，因而可维持 CCT。与此同时，通过改变占空比，也可更改平均电流，从而提高或降低 LED 的亮度。

HCL 的复杂因素之一是，色温还取决于 LED 的能效，而暖白光和冷白光 LED 之间可能存在能效差异。而且，色温变量还可以追溯到机械设计中的差异，包括热耗散、外壳、PC 板设计和散热器。

尽管很复杂，但即使是没有受过专门的 SSL 培训的工程师也能使用 Infineon XMC1202 RGB LED 照明扩展板（图 2）等开发工具轻松开发 HCL 系统。

图 2： Infineon 的 XMC1202 RGB LED 扩展板简化了可调白光 LED 灯具的设计和评估。（图片来源： Infineon Technologies）

该扩展板将基于 ARM® Cortex®-M 的 XMC1202 32 位工业 MCU 与嵌入式亮度颜色控制单元 (BCCU) 搭配使用。它提供了多种选项用于评估平滑、可保护视力的调光，以及针对不同拓扑的混色。它的配置也很轻松，并且可针对不同的 LED 光引擎和灯具进行组合，以实现快速原型开发。

为了给 LED 供电，扩展板采用了 DC/DC 降压拓扑，并且能够以恒流驱动多达三个 LED 通道。可以将 10 组基本的 I2C 命令发送到扩展板，以控制所连接的具有各种照明效果的 LED 灯具。

BCCU 提供了具有 12 位精度的颜色控制。通过线性“步进”的方法，可实现即时或渐变的颜色转换。LED 通道中的线性步进器可随时间的变化以线性方式更改强度，并提供可配置的颜色转换时间。要实现平滑的颜色变化，所有通道中的线性步进时间都必须相同，并且必须在所有通道同时开始线性步进。

该扩展板作为从属板，通过 I2C 协议与主板通信。Arduino Uno R3 和 Infineon 的 XMC1100 启动套件均可用作主板。

在 XMC1202 上组合 Arduino 板和代码，可通过 4095 个分立步进值来控制灯具从色温为 2700 K 的暖白色转换到色温为 5700 K 的冷白色。也可通过 4095 个分立步进值来调整光强度，以获得调光度低至 0.5% 的无闪烁、高质量光。

在扩展板中，一个三角积分型调制器将 12 位亮度值转换为位流，以形成脉冲密度调制 (PDM) 信号。自动线性强度变化会让亮度或颜色的变化在人眼看来显得平滑且自然。为实现这一点，选定的通道会在预先确定的持续时间内不断改变其强度，并在同一时间达到各自的目标值，从而在正交 (CIE Lab) 颜色空间内实现直接转换。

BCCU 的基本功能是在外部 LED 驱动器的端口引脚上提供自动调光信号（图 3）。

图 3： RGB LED 扩展板的 BCCU 在外部 LED 驱动器的端口引脚上提供自动调光信号。（图片来源： Infineon Technologies）

两路触发器信号可以启动需要的模拟到数字转换，以便在 LED 通道 (TRIG) 上执行无噪声测量。也可以将调光信号路由到 CCU4 或 CCU8，它们可以直接驱动 LED 电流控制电路 (OUT)。当出现外部紧急事件（例如短路）时，将会出现陷阱状态。此信息可直接连接到BCCU。在陷阱期间，BCCU 输出会立即变为预先定义的安全无源电平。模拟比较器的输出可用作发往 BCCU 通道的异步栅极信号，以实现快速控制回路 (IN)。

三路可用的 MOSFET 栅极驱动输出中的两路被用于驱动可调白光 LED 灯具（图 4）。

图 4： Infineon 扩展板通过降压拓扑 DC/DC 转换器驱动可调白光 LED。（图片来源： Infineon Technologies）

接口选择和编程辅助

DMX512 接口可用于替代调光器开关来控制可调白光 LED。DMX512 常用于控制舞台照明和剧场效果。DMX512-A 为最新标准，并由 ESTA（娱乐服务和技术协会）维护。DMX512 信号是一组持续更新的 512 个单独的强度电平（通道）。512 个通道中的一个 DMX 链路被定义为通用通道。典型的剧场控制台具有多路通用输出。

XMC1202 等 XMC1000 产品也可用作数字可寻址照明接口 (DALI) 从属板。DALI 是适用于可调光电子控制的非专有双线双向接口标准。它具有很高的灵活度，无需继电器便能单独或以广播模式控制多达 16 组灯具。开关和调光均通过控制线路进行处理，并且会存储灯具状态等重要信息供控制器使用。DALI 可以在单一的双线接口上寻址多达 64 个 LED 单元。

即便以不同的调光值启动不同的照明系统，或将不同类型的灯具彼此组合，DALI 也能将一个照明场景中的变化同步到另一个照明场景。这意味着，所有光源都会同时达到新的光值，从而为 HCL 系统提供一致的照明。

第 4 版 DAVE™ 作为 Infineon 的 XMC MCU 开发平台，可用于标准照明通信协议。DAVE 是基于 Eclipse 的免费集成开发环境 (IDE)，其中包括 GNU C 编译器、调试器、综合代码存储库、硬件资源管理和代码生成插件。提供完整的下载包，其中包括应用、示例和 DAVE SDK。利用 DAVE，工程师可以配置 LED 变色系统和外设时钟，以及配置 BCCU 的全局、通道和调光引擎。

实现 HCL

Arduino 扩展板和 XMC1202 可与控制电位计搭配使用，实现 HCL 系统。此应用使用板上的五个线路，以及三路可用的 MOSFET 栅极驱动输出中的两路，对可调光 LED 进行简单且经济高效的评估。

采用两个电位计：一个用于控制亮度，另一个用于控制色温。这要求两个模拟到数字转换器 (ADC) 通道 P2.10 和 P2.11（图 5）。这两个通道之前已保留用于 I2C 通信（分别为 SDA 和 SCL）。必须移除连接到 SCL 和 SDA 引脚的上拉电阻器，以免发生串扰。

图 5： XMC1202 到电位计的连接图示，用于实施亮度和色温控制。（图片来源： Infineon Technologies）

要连接到电位计，使用位于板左上角的 5 个 Arduino 引脚（图 6）。

图 6： 电位计被连接到位于 Arduino 板左上角的 5 个引脚： SCL、SDA、5 伏直流和两个接地。（图片来源： Infineon Technologies）。

总结

应用 HCL 来控制光度和颜色，以满足人们的需要，这是照明和灯具设计发展的下一阶段。居于核心的便是可调白光 LED。对实现 HCL 的设计工程师而言，最重要的是，他们需要开发电路，在提供必要的亮度输出的同时，不仅能够调光，还能检测和更改 Kelvin 温度设置。