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低功耗藍牙成連結網路/遙控首選
智慧照明系統節能需求旺

【作者: Aman Jha等人】   2017年06月19日 星期一

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由於能源管理與節能現今已成全球熱門話題,加上智慧型手機逐漸改變人類生活方式,智慧家庭照明系統因此成為照明產業裡一個備受矚目的領域;這個領域最大的技術進展,就是利用低功耗藍牙(BLE)技術連結網路並提供遙控功能。


低功耗藍牙是智慧家庭自動化與照明領域裡一種十分看好的技術,其為傳統藍牙技術的進階版,同樣使用2.4GHz無線電頻段。相較於傳統藍牙技術,低功耗藍牙較為明顯的特色之一就是耗電更低,因此適合用在LED照明。


從效能、壽命、光的品質與可靠度來看,LED都是照明技術裡面的佼佼者。為LED照明添加智慧功能,可進一步提升相關產品的卓越性。選擇式的開/關功能與亮度控制,可延長系統壽命並減少能耗。



圖一 : 低功耗藍牙智慧家庭照明系統之功能方塊圖
圖一 : 低功耗藍牙智慧家庭照明系統之功能方塊圖

當輸入來自AC端且LED為恆定電流DC負載,電力品質就成為LED照明另一個必須處理的主要考量點。LED照明還建議採用IEC61000-3-2 Class C諧波準則、電磁干擾限制(CISPR 15)及能源之星(Energy Star)標章(待機耗能)。因此並不建議使用二極體橋式整流器搭配大容量電容器為LED照明供電。我們建議的智慧型LED驅動器就能解決所有問題。


本文將探討的智慧家庭照明,乃是採用單片式線外LED驅動器及低功率藍牙模組,並透過Android應用程式進行操控。這種智慧家庭照明系統通過所有由監管機關建議使用的既有準則,此外它的待機耗能也非常低。圖1是低功耗藍牙智慧家庭照明系統的架構方塊圖。


圖二則是智慧家庭照明系統實際使用的硬體,供生產就緒(Ready-to-manufacture)解決方案開發用。這套系統的建置主要分為三個面向:LED驅動器電源供應、微控制器單元,還有供使用者操控用的Android應用程式。



圖二 : 智慧家庭照明系統的硬體與應用程式
圖二 : 智慧家庭照明系統的硬體與應用程式

LED驅動器採用離線交直流轉換器,搭配具備高功率因數(PF)和低總協波失真(THD)的準共振返馳模式;至於能源轉換則採用HVLED815PF,是一種單片式線外初級感測恆定電流LED驅動器。適合低成本低耗能應用,因為初級調節回授控制(Primary Side Regulation,PSR)並不需要光耦合器產生LED電流反饋。


它還有助於減少成本和印刷電路板面積,且符合國際電工委員會(IEC)針對照明系統所推薦的IEC61000-3-2 Class C諧波準則。這種LED驅動器在歐盟(EU)全區效率均都超過84%,待機耗電也非常低(<0.5W)。雖然HVLED815PF晶片沒有提供專用的脈寬調變(PWM)調光專用引腳,但脈寬調變調光在這款設計裡仍然是可行的。調光的深度為輸出功率的2.5%。


擁有當LED關閉時仍可運作的線外輔助電源設計,即使處於關閉狀態電路板仍與公用電力系統系統保持聯通。SPBTLE-RF(支援低功耗藍牙4.1版、網路處理器模組搭配整合式射頻輸入,且經美國聯邦通訊委員會﹝FCC﹞認證)與STM32L051(超低功率微控制器)負責網路連接,還有利用Android應用程式進行遙控、開關等功能。


此外還有其他功能,例如利用單一介面進行多重電路板控制,以裝設數款LED照明燈具的一般住家來說,增設這些高級設備時最重要的一點就是節省電費。表1為智慧家庭照明系統規格,圖三至圖八則是LED驅動器的測試結果。



圖三 : 不同輸入電流下的功率因數值
圖三 : 不同輸入電流下的功率因數值

圖四 : 不同輸入電流下的總諧波失真數值
圖四 : 不同輸入電流下的總諧波失真數值

圖五 : 不同輸入電流下的電流調節變化
圖五 : 不同輸入電流下的電流調節變化

圖六 : 效率隨輸入電流不同而有所變化
圖六 : 效率隨輸入電流不同而有所變化

圖七 : 諧波測量結果
圖七 : 諧波測量結果

圖八 : 調光時的LED電流線性圖
圖八 : 調光時的LED電流線性圖
(表一)智慧家庭照明系統規格

Parameter

Value

Input Voltage

185VAC -275VAC, 50Hz

PF

>0.95

THD

<20%

Current Regulation

<+/-1%

Efficiency

>84%

Dimming

? 2.5%

Power Rating Output

12W

LED Load

32V, 330mA

參數

數值

輸入電壓

185VAC -275VAC, 50Hz

功率因數

>0.95

總協波失真

<20%

電流調節

<+/-1%

效率

> 84%

調光

? 2.5%

功率額定輸出

12W

LED負載

32V, 330mA


上述所提的Android應用程式必須使用支援低功耗藍牙的智慧型手機來執行,使用者可在螢幕上拖放以選擇特定照明器具。以往Android智慧型手機只支援一組主從低功耗藍牙連結。


這代表使用者只能使用智慧型手機控制一組低功耗藍牙照明器具。Android 5.0 Lollipop推出後,作業系統與相關硬體最多可支援七組主從低功耗藍牙連結,這代表即使小家庭也可一次控制七組獨立的低功耗藍牙家電產品,像是燈具、電扇,對製造商來說都是很好的賣點。


該公司為低功耗藍牙照明設計所開發的Android應用程式,能同時支援七組連結。Google Nexus 9是一款支援多組連結的平板裝置,相關功能可能因行動裝置製造商而有所不同。圖九為Android應用程式搭配智慧照明的運作情形。正如前面提過的,以上所有LED燈具的硬體都支援低功耗藍牙連結。



圖九 : 示範應用程式使用方式
圖九 : 示範應用程式使用方式

利用這款Android應用程式,使用者可依如圖十所示選擇智慧照明、燈泡或燈具等選項,然後將智慧照明選項拖放到房屋配置圖。在Android應用程式方面,使用者必須獨立連結每一個LED燈具;一旦建立連結,使用者就能控制個別燈具。



圖十 : 示範如何使用應用程式操控多種燈具
圖十 : 示範如何使用應用程式操控多種燈具

智慧型手機支援不同網路連結技術,為不同產業部門開啟各式各樣的使用案例,範圍小至家庭自動化大到智慧城市。隨著行動電話成本下滑,加上行動電話連網技術新標準相繼出爐,家庭自動化將出現眾多使用案例,而智慧照明就是智慧家庭自動化的必備項目或使用案例之一。智慧照明提供使用者更多彈性空間,讓他們能利用行動電話控制燈具,同時有助於降低耗電。


智慧家庭照明系統適用於有氣氛照明功能及頻繁操控需求的智慧家庭或場所。LED的變化能帶來不同的照明體驗。這類燈具加上整合式控制功能,就能提供一種可提升使用者體驗的照明解決方案。只要縮小印刷電路板尺寸並使用Android應用程式,就能強化智慧家庭照明在日常生活領域的可用性和普及率。


(本文作者Aman Jha、Ranajay Mallik、Raunaque Mujeeb Quaiser、Jitendra Jain任職於意法半導體類比暨MEMS事業群中央實驗室)


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