带磁控的 LED 照明系统和智能建筑的物联网传感器集成外文翻译资料

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带磁控的 LED 照明系统和智能建筑的物联网传感器集成

Hector F. Chinchero，IEEE， Marcos Alons，Hugo Ortiz T. IEEE

摘 要

本文介绍了一种在智能建筑 (SB) 应用的照明驱动器侧使用磁控制 (MC) 的 LED 照明系统。 智能建筑考虑的重点是使用物联网 (IoT) 技术和协议的建筑物的舒适性、安全性、能源效率和通信。它还展示了磁控在具有单电感多输出 (SIMO) 拓扑的智能 LED RGB 驱动器中的应用作为案例研究。最后，展示了一个用于智能建筑的使用MC和物联网传感器集成的智能 LED 照明系统基础设施。

关键字：智能建筑（SB）、LED照明系统、磁控（MC）、单电感多输出（SIMO）、物联网（IoT）

1.引言

LED 照明日益成为住宅环境、商业建筑、公共道路、公园、工业建筑、学术校园、医院、酒店等中最常用的照明技术之一。许多灯具制造商正在开发新的封装技术，尤其是实施新的控制技术,LED 照明系统的驱动程序和优化方法。

DC-DC 转换器通常用于 LED 照明控制，根据占空比、频率等参数的修改工作在不同的工作点。一种新兴的控制 DC-DC 转换器的方法是磁控制 (MC) [1 ]。在磁控制中，可以根据转换器滤波电感的变化来调节转换器输出的条件。电感的变化是通过使用可变电感器 (VI) 来实现的，该可变电感器根据极化电流循环通过的辅助绕组产生的效果而变化 [1]-[5]。另一方面，在电力电子中，单电感和多输出 (SIMO) 控制用于转换器，该转换器使用单个电感作为输入控制元件，用于调节多个电流或电压输出通道 [6]-[11]。在用于 LED 照明的 DC-DC 转换器中，SIMO 方法用于 LED 阵列的输出电流控制，以实现高效的光通量，并允许 LED 阵列中的每个电流回路在正确的工作点工作。

在本文中，基于使用可变电感器作为转换器中的可控元件，介绍了采用降压转换器和 SIMO 拓扑的 LED 照明应用中带有磁控制的DC-DC转换器的新概念。在传统 SIMO 转换器中，电感的设计应低于SIMO降压在DCM中在最大输入电压、最小输出电压和满负载电流下运行的临界电感。具有固定电感，当 SIMO 降压转换器在较低输入电压但较高输出电压下工作时，电感电流纹波会很大，从而导致较高的开关和传导损耗。然而，使用可控电感器，电感可以随输入电压或负载电流自适应地变化，相对于工作在相同输入电压或负载电流但具有固定电感的转换器而言，有助于降低电流应力和提高转换效率。 LED 照明驱动器用于 RGB 照明、RGBW 通道控制等应用。驱动器可以在住宅应用中自主使用，或具有控制网络通信的网络驱动程序，如 DALI、KNX、BUSing、LONWorks、BACNet 等 [12][13][21]，用于智能建筑基础设施。现在，可以找到包含数字收发器的 LED 驱动器，以便与物联网平台进行信息通信，从而将照明控制集成到能源管理系统 (EMS) 中。

第二部分介绍了应用于智能建筑的 LED 照明系统的背景。第三部分介绍了应用于一个 LED 通道和三个 LED 通道驱动器中的 DC-DC 转换器的磁控制，它已被选为 RGB LED 照明驱动器的案例研究和实验。第四部分涉及使用物联网传感器集成平台将原型集成到智能建筑的智能 LED 照明系统中。最后，第五节介绍了这项工作的结论。

2.智能建筑的LED照明系统

A. 智能建筑环境

智能建筑 (SB) 是一种基础设施概念，可在楼宇自动化系统 (BAS) [12] 中实现设备、系统和服务的完全集成解决方案。BAS for SB 的目标是开发和实施有助于建筑物管理和提高服务质量以及建筑物内用户舒适度的服务 [12][13][21]。图 1 阐明了鉴于组件和系统的智能建筑的背景。

图1. 智能建筑环境.

SB 中的服务必须根据构成真正智能建筑的四个系统进行开发。它们是节能系统、安全系统、健康和舒适系统，最后是通信系统 [12][13][21]。

为了确保 BS 概念，在分布式系统中开发了控制网络技术，以实现建筑物的全面自动化。由于它们的广泛传播和它们的性能，一些协议被整合用于控制网络，例如 Bacnet [14]、Lonworks [15]、Busing [16] 和 KNX [17]。目前，SB 解决方案包括与物联网 (IoT) 技术（如 ZigBee、LoRa、Wings、蓝牙、WiFi 等 [13][21] 等）的新兴技术的稳健集成，以开发完整的 SB 服务。另一方面，DALI 和 DMX [13] 等协议是为智能照明应用开发的，具有舒适和节能服务的特殊功能。

此外，在 SB 中有两个传统定义的环境控制系统。房间管理系统 (RMS) 控制各个区域并连接了一些传感器和执行器以在房间内实施智能服务。建筑管理系统 (BMS) 是一个集成平台，允许建筑实现以下功能 [16]：i) 技术装置的控制和监督，ii) 人员控制和监督，iii) 资源优化，以及 iv) 实现大量节能[12][13]。

B.智能建筑的 LED 照明系统

传统上，照明控制是手动的，这需要物理的本地控制操作，并且通常用于最广泛的应用范围。在 70 年代，出现了自动照明控制，结合了在集中式系统中实现的自主运动传感器的使用 [12][13]。另一方面，智能照明控制包括用于打开和关闭照明区域的传感器输入模块和继电器输出等微处理元件。图 2 显示了智能环境中智能照明的整体概念。

图2. 智能建筑的智能照明

目前智能照明已经发展到集成控制系统，允许设计人员连接传感器、控制器和用户界面，以开发智能RGB照明环境、宜居场景、广告促销、灯光装饰、表演等应用。此外，智能照明控制系统目前可以执行能源管理、故障报告、能耗报告、定位、时间规划和调度、语音控制、本地和远程控制等[12][13]。.

3.LED 驱动器的磁控制

1. 磁控

DC-DC 转换器的 MC 使用 VI [1]-[5] 修改转换器的 LC 滤波器中的电感值。电感值控制是通过与 VI 磁芯 [1]-[5] 的磁场力变化有关的偏置电流?7来执行的。这允许系统改变降压转换器的电感值，从而修改循环通过 LED 的输出电流的平均值。 DC-DC 转换器中的 MC 是在转换器工作在非连续导通模式 (DCM) [9][18]-[20] 时执行的。图 3 显示了通过在 DCM 中工作的降压转换器的电感器的电流波形，具有两个不同的电感值。电感对平均输出电流和平均输出电压有直接影响。随着电感值的增加，平均电流和输出电压会降低。

图 3. DCM 运行时的降压转换器波形。

当降压转换器在 DCM 中运行时，以下表达式适用 [9][18]-[20]：

V₀= V_i

2LI₀

D²V_iT 1 (1)

其中?是输入电压，?是转换器电感，?是开关频率，?代表转换器占空比，?是输出电压，?是输出电流。另一方面，考虑到? = ?/? 降压转换器电压增益由 [9][19]-[20] 稳定:

M=V0= 2

Vi 1 sqrt(1 8fL/D²R)

在 (2) 中，DCM 中转换器的电压增益 ? 是电感的直接函数。通过这种方式，MC 提供了相对于传统方法的控制参数。

1. 单 LED 通道驱动器的磁控制

具有 LED 负载和单通道 MC 的降压转换器的拓扑已在 [19] 中提出，如图 4 所示，它由受控开关?、二极管?、可变电感器 (VI) ?、 ? 电容器和 LED 负载组成。

图 4.用于 LED 照明应用的带 MC 的 DC-DC 降压转换器

考虑到本研究中负载的类型是 LED，因此 LED 通道上的输出电压是确定的是 LED 阈值电压，?厂是 LED 动态电阻，可以写成 R=V0=VTH R_D

I₀ I₀

使用 (2) 中的表达式 (3) 并清除 ? ，电感的表达式

从 (4) 可以推断，要在 ?值范围内工作，转换器必须在 ? 电感值范围内工作，这为 VI 设计提供了起点，考虑到某个 LED 工作点 [19] . C. RGB LED 多通道驱动器的磁控。

在用于多通道 LED 照明的 DC-DC 转换器中，SIMO 方法用于 LED 阵列 [20] 的输出电流控制，以实现高效的光度流，并允许 LED 阵列中的每个电流回路在正确的工作点工作。它有助于实现效率最大化、光通量调节。LED 照明应用中的 SIMO DC-DC 转换器同时为每个 LED 阵列产生 N 个输出电压和稳压电流，如图 5 所示，在电子电源中使用单个电感器和单个 SIMO 转换器系统，使渠道可以得到适当的调节，将存储在电感器中的能量分配到每个输出[20]。

图 5. 用于 LED 照明应用的带 MC 的 DC-DC 降压转换器

本工作中提出的 DC-DC SIMO LED 驱动器将 [1]-[5] 中提出的 MC 方法与 IoT 传感器集成相结合，以实现转换器的数字控制。通过这种集成，可以开发用于智能建筑的 MC 的 LED 照明系统。因此，根据[20]中提出的方案，与保持固定电感的转换器相比，使用 VI 的 SIMO 转换器可以有一个额外的控制元件，从而在 DCM 下工作时扩展转换器的工作范围。图 5 显示了用于三通道 LED 照明应用的带 MC 的 DC-DC 降压 SIMO 转换器。建议的 DC-DC SIMO 降压转换器中使用了三个通道。这些通道与三个 RGB 类型的 LED 阵列相关联。与开关?勹、?厂和?厂相关的三个状态信号将用于控制三个通道，如图6所示。

图 6. 磁控 DC-DC SIMO 降压转换器的开关信号

每个通道的输出电流由 [20] 确定：然后，使用 LED 模型，通过替换 (5) 中 LED 通道 V 0 上的输出电压并求解得到的 I 0 的二阶方程，得到以下表达式。

然后，使用 LED 模型，通过替换 (5) 中 LED 通道 V 0 上的输出电压并求解得到的 I 0 的二阶方程，得到以下表达式。

从（6）中可以看出，每个 LED 通道的电流是基于诸如占空比D、频率f、LED 类型、输入电压V「以及最重要的电感值L 等参数，通过引入 MC，以确保转换器在 DCM 中工作。这开辟了广泛的数字控制可能性，使用带有集成电路的组件，数字驱动器或微控制器来控制相关参数。

4、 LED照明系统WHIT磁控和智能建筑的物联网传感器集成

所提议的系统旨在将开发的驱动器、单通道 LED 驱动器和三通道 RGB LED 驱动器集成到智能建筑网络中，以实现 LED 照明系统的智能建筑能源管理系统 (IBEMS)。图 7 显示了所提出的架构。可以看出，每个驱动程序都可以根据建筑设计工程在任何环境中实施在本应用案例中，单通道驱动器用于调节指向点照明区域的 LED 通道，例如 RMS 中的房间、休息室、卫生间等。 RGB 驱动器也可用于 RMS 和其他公共空间，例如会面点、走廊、大堂等。

图 7. 智能建筑中 LED 照明系统的智能建筑能源管理系统

用于空间装饰以及应急和信号灯等智能照明服务。此外，将 LED 驱动器集成到智能建筑基础设施中可以开发能效服务，确保高水平的用户舒适度、安全性和通信。

5. 实现的 LED 驱动器原型

作为实施示例，本节将介绍三通道 DC-DC SIMO 降压转换器的性能，其工作周期为红色通道 0.32、绿色通道 0.43、蓝色通道 0.41 和开关频率为 100 kHz，因此每个通道将以 33.3 kHz 的频率工作。

DC-DC SIMO 降压转换器由 14 V 至 35 V 的输入电压供电，用于根据 LedEngine LZC-03MA007 器件的参数使用 LED 阵列的三通道 LED 负载。每个 RGB LED 通道的标称输出电压对于红色 LED 通道为 8.27 V，对于绿色 LED 通道为 11.43 V，对于蓝色 LED 通道为 10.11 V。每个通道的输出滤波器的电容为 47 micro;F，采用薄膜电容实现，因此其串联电阻可以忽略不计。表 I 总结了实现的 RGB 转换器原型的参数。

表一

带磁控的 DC-DC SIMO 降压转换器 实现了三个 LED 通道的参数