面向LED智能照明與物聯(lián)網(wǎng)集成的數(shù)字驅(qū)動光組件研究初探

李金偉

摘要：光組件數(shù)字驅(qū)動控制芯片基于單芯片數(shù)模混合集成電路設(shè)計技術(shù)，采用高密度多層互聯(lián)封裝框架基板的一體式封裝，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景傳感模塊、處理模塊、無線收發(fā)模塊與能量管理模塊全功能模塊片上系統(tǒng)（SIP）集成。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合色溫可調(diào)燈具，進行算法優(yōu)化與接口技術(shù)研究，能夠有效解決當前傳統(tǒng)光組件產(chǎn)品智能控制方案復雜、成本較高、功能稀缺、系統(tǒng)兼容性差等問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字驅(qū)動光組件；智能照明：電源管理芯片

引言

LED光組件作為一種高效、低功耗的光源得到廣泛應(yīng)用及推廣，與物聯(lián)網(wǎng)智能控制技術(shù)相結(jié)合的LED智能照明已成為未來發(fā)展的必然趨勢，據(jù)預測，中國高端智能照明市場5年內(nèi)容量有望達到2000億元。當前，LED智能照明仍存在諸多問題。第一，國外技術(shù)壟斷，市場份額高：國外品牌智能照明系統(tǒng)起步早，研發(fā)實力強，由于專利壁壘和技術(shù)封鎖，國外品牌占據(jù)了國內(nèi)90%以上的大型公用建筑和70%以上家居智能照明系統(tǒng)的市場份額。第二，解決方案成本高，穩(wěn)定性差：傳統(tǒng)總線型分布式照明控制方案布線繁瑣，施工困難；PCB板級集成系統(tǒng)功能模塊眾多，總體功耗較高，集成度低。第三，照明調(diào)節(jié)功能弱：光度調(diào)節(jié)為分段調(diào)節(jié)形式，無法進行連續(xù)變換，同時燈具頻閃嚴重，調(diào)光效果差；無法進行多通道光、色一體化調(diào)節(jié)。第四，兼容性差：光源組件標準化程度低，各種模塊、接口兼容性差，單一部件模塊損壞極易嚴重影響系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)，擴展性移動性差。第五，無線傳感功能差：光源組件作為基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明關(guān)鍵基礎(chǔ)節(jié)點，數(shù)量眾多，分布廣泛，但目前短距離傳輸、自組織網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)信息處理芯片研發(fā)仍較為落后，無法體現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)低成本、低功耗等獨特優(yōu)勢。針對問題，進行面向智能照明與物聯(lián)網(wǎng)集成的光組件研究，研發(fā)低成本高集成度多功能新型智能控制數(shù)字驅(qū)動光組件產(chǎn)品，非常必要。

（一）總體方案、研發(fā)內(nèi)容

我們根據(jù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與市場需求，組織芯片制造、光組件封裝研發(fā)以及光組件標準化研究領(lǐng)域的相關(guān)科研機構(gòu)，形成項目聯(lián)合體，開展低成本智能控制數(shù)字驅(qū)動標準光組件研究，具體研究內(nèi)容如下：

①研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明光組件的系統(tǒng)級解決方案，包括四種典型產(chǎn)品球泡燈、筒燈、射燈以及燈管；

②研究低成本可編程內(nèi)核的LED數(shù)字電源管理芯片設(shè)計，重點研究集成32位ARM Cortex MO內(nèi)核開發(fā)、數(shù)模混合集成電路設(shè)計技術(shù)、多通道數(shù)據(jù)采集與處理關(guān)鍵數(shù)字電路模塊、RF無線收發(fā)功能模塊射頻模擬電路關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)算法優(yōu)化；

③研究高集成度多層互聯(lián)片上系統(tǒng)（SIP）一體化封裝技術(shù)；

④進行低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件研發(fā)與驗證，進行面向智能照明與物聯(lián)網(wǎng)集成的數(shù)字驅(qū)動光組件產(chǎn)品與關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格化、標準化研究。

（二）技術(shù)路線：

我們研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的面向智能照明與物聯(lián)網(wǎng)集成的數(shù)字驅(qū)動光組件。針對國外品牌廠商專利壁壘以及智能照明技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以低成本、小型化、智能化為準則，進行了光組件核心數(shù)字驅(qū)動控制芯片的設(shè)計與封裝技術(shù)研究；在此基礎(chǔ)上，與可調(diào)光燈具形成低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件，下面對具體技術(shù)路線進行介紹：

（1）低成本可編程內(nèi)核的LED數(shù)字電源管理芯片設(shè)計

電源管理芯片屬于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的感知互動層，主要實現(xiàn)對燈具信息的采集、識別和控制，本項目芯片采用片上系統(tǒng)（SIP）設(shè)計的思想，利用標準CMOS工藝將射頻、模擬和數(shù)字電路統(tǒng)一設(shè)計實現(xiàn)于單片芯片中。研發(fā)從四部分功能實現(xiàn)入手，包括傳感模塊，處理模塊，無線收發(fā)模塊和能量管理模塊。芯片架構(gòu)如圖l所示。

處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與存儲，芯片采用頻率為50MHz的32位ARM Cortex-MO內(nèi)核的MCu進行開發(fā)，同時嵌入32KB的FLASH和8KB的SRAM存儲；作為芯片主要處理單元。

傳感模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制信號輸出與數(shù)模轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計包括可配置模擬前端以及高壓驅(qū)動設(shè)計，由多個前端總線、放大器、比較器、DAC、多通道ADC以及4個門級驅(qū)動構(gòu)成。采用BUCK降壓拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，對PWM進行調(diào)節(jié)，形成高精度實時閉環(huán)恒流控制，以實現(xiàn)0%-100%無極調(diào)光；同時，4個門極驅(qū)動利用芯片內(nèi)部高速信號驅(qū)動外接功率器件，實現(xiàn)RGBW四通道色溫可調(diào)以及獨有大于100V高壓驅(qū)動；進行匹配電路設(shè)計，可實現(xiàn)基于LED照明模組的寬功率適應(yīng)。ADC設(shè)計采樣率200KHz，驅(qū)動頻率>100KHz，通過特殊調(diào)光算法優(yōu)化，可實現(xiàn)無頻閃效果及人眼視覺曲線調(diào)光過程。

無線收發(fā)模塊實現(xiàn)節(jié)點與外界信息交互，根據(jù)無線收發(fā)系統(tǒng)組成和CMOS電路功耗來源，研究總結(jié)低功耗收發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)；根據(jù)IEEE 802 15.4標準，選擇接收機和發(fā)射機進行ADS系統(tǒng)仿真驗證，設(shè)計并制定了無線收發(fā)系統(tǒng)及各個模塊電路的性能參數(shù)指標，對關(guān)鍵模塊電路如低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、變增益放大器和濾波器等進行低功耗設(shè)計。

能量管理模塊實現(xiàn)芯片系統(tǒng)電源管理，根據(jù)芯片功能需求，進行多供電模式設(shè)計，包括高壓供電模式、超高壓Buck模式、AC/DC模式以及flyback模式，可接受高達52V的DC輸入或線性AC輸入；同時進行安全性設(shè)計，包括電源的穩(wěn)壓、溫度監(jiān)控，休眠管理，故障和報警檢測等方面。

（2）LED數(shù)字電源管理芯片片上系統(tǒng)集成封裝設(shè)計

電源管理芯片封裝應(yīng)用Q封或MCM封裝技術(shù)，在高密度多層互聯(lián)封裝框架基板上，采用Bonding或SMT方式將片上系統(tǒng)芯片塑封成一體式的電子芯片模塊。方法如下：設(shè)計IC芯片系統(tǒng)集成功能驗證中測方法，將板級系統(tǒng)功能導入IC封裝框架方案設(shè)計；IC芯片系統(tǒng)封裝形態(tài)選型、規(guī)劃與代工方案選擇；提取封裝模型，進行電性能、SI/PI性能、熱性能分析；在此基礎(chǔ)上進行原理圖設(shè)計、版圖設(shè)計以及整體性能分析，生成加工文件進行封裝加工，進行過程控制；最后進行封裝成測數(shù)據(jù)收集分析。封裝可實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部信號傳輸快速響應(yīng)，系統(tǒng)芯片體積小型化，同時改善芯片散熱，保障系統(tǒng)芯片的高可靠性，大幅度降低成本。互聯(lián)封裝示意圖如圖2。

（3）低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件研究

研究分析基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明光組件的系統(tǒng)級解決方案，基于上述自主研發(fā)數(shù)字電源管理芯片（應(yīng)用范例見圖3），根據(jù)典型LED照明產(chǎn)品球泡燈、筒燈、射燈以及燈管特性，進行了低成本智能控制多通道RGB+白光光源組件的應(yīng)用研究與驗證。根據(jù)智能照明需求，分別從光、機、電＼控制、熱、工藝五個方面進行燈具整體設(shè)計。通過理論分析、數(shù)值計算以及建模仿真，考量結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計目標要求；研究智能照明產(chǎn)品驅(qū)動RGB+白光多通道獨立控制關(guān)鍵技術(shù)，進行低成本智能控制的LED多通道可調(diào)光驅(qū)動電源研制，并進一步形成RGB+白光標準光組件，開展光機電熱接口規(guī)格化、標準化研究，形成可兼容、可互換系列產(chǎn)品。

（三）結(jié)論與討論

綜上所述，針對當前傳統(tǒng)光組件產(chǎn)品智能控制國外壟斷嚴重、方案復雜、成本較高、功能稀缺、系統(tǒng)兼容性差等問題，進行面向智能照明與物聯(lián)網(wǎng)集成的光組件研究，研發(fā)低成本高集成度多功能新型智能控制數(shù)字驅(qū)動光組件產(chǎn)品。光組件數(shù)字驅(qū)動控制芯片基于單芯片數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計技術(shù)，采用高密度多層互聯(lián)封裝框架基板的一體式封裝，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景傳感模塊、處理模塊、無線收發(fā)模塊與能量管理模塊全功能模塊片上系統(tǒng)（SIP）集成。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合色溫可調(diào)燈具，進行算法優(yōu)化與接口技術(shù)研究，實現(xiàn)如下兩點創(chuàng)新：一、首次實現(xiàn)低成本可編程內(nèi)核的LED數(shù)字電源管理芯片傳感、處理、無線通信、能量管理多功能片上系統(tǒng)（SIP）集成。二、LED數(shù)字電源管理芯片具備RGB+白光多通道色溫調(diào)節(jié)功能；0%-100%無極調(diào)光功能；含人眼視覺曲線校正功能；ZIGBEE射頻通信功能。并形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件，實現(xiàn)0%-100%無極調(diào)光、光色一體化調(diào)節(jié)及無線智能調(diào)控，對推動基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明關(guān)鍵基礎(chǔ)器件應(yīng)用研究發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。