面向LED智能照明与物联网集成的数字驱动光组件研究初探

李金伟

摘要：光组件数字驱动控制芯片基于单芯片数模混合集成电路设计技术，采用高密度多层互联封装框架基板的一体式封装，实现物联网应用场景传感模块、处理模块、无线收发模块与能量管理模块全功能模块片上系统（SIP）集成。在此基础上，结合色温可调灯具，进行算法优化与接口技术研究，能够有效解决当前传统光组件产品智能控制方案复杂、成本较高、功能稀缺、系统兼容性差等问题。

关键词：数字驱动光组件；智能照明：电源管理芯片

引言

LED光组件作为一种高效、低功耗的光源得到广泛应用及推广，与物联网智能控制技术相结合的LED智能照明已成为未来发展的必然趋势，据预测，中国高端智能照明市场5年内容量有望达到2000亿元。当前，LED智能照明仍存在诸多问题。第一，国外技术垄断，市场份额高：国外品牌智能照明系统起步早，研发实力强，由于专利壁垒和技术封锁，国外品牌占据了国内90%以上的大型公用建筑和70%以上家居智能照明系统的市场份额。第二，解决方案成本高，稳定性差：传统总线型分布式照明控制方案布线繁琐，施工困难；PCB板级集成系统功能模块众多，总体功耗较高，集成度低。第三，照明调节功能弱：光度调节为分段调节形式，无法进行连续变换，同时灯具频闪严重，调光效果差；无法进行多通道光、色一体化调节。第四，兼容性差：光源组件标准化程度低，各种模块、接口兼容性差，单一部件模块损坏极易严重影响系统的整体运转，扩展性移动性差。第五，无线传感功能差：光源组件作为基于物联网的智能照明关键基础节点，数量众多，分布广泛，但目前短距离传输、自组织网络及相应信息处理芯片研发仍较为落后，无法体现无线传感网络技术低成本、低功耗等独特优势。针对问题，进行面向智能照明与物联网集成的光组件研究，研发低成本高集成度多功能新型智能控制数字驱动光组件产品，非常必要。

（一）总体方案、研发内容

我们根据技术发展现状与市场需求，组织芯片制造、光组件封装研发以及光组件标准化研究领域的相关科研机构，形成项目联合体，开展低成本智能控制数字驱动标准光组件研究，具体研究内容如下：

①研究基于物联网的智能照明光组件的系统级解决方案，包括四种典型产品球泡灯、筒灯、射灯以及灯管；

②研究低成本可编程内核的LED数字电源管理芯片设计，重点研究集成32位ARM Cortex MO内核开发、数模混合集成电路设计技术、多通道数据采集与处理关键数字电路模块、RF无线收发功能模块射频模拟电路关键技术以及相关算法优化；

③研究高集成度多层互联片上系统（SIP）一体化封装技术；

④进行低成本智能控制多通道RGB+白光标准光组件研发与验证，进行面向智能照明与物联网集成的数字驱动光组件产品与关键技术规格化、标准化研究。

（二）技术路线：

我们研究开发具有自主知识产权的面向智能照明与物联网集成的数字驱动光组件。针对国外品牌厂商专利壁垒以及智能照明技术发展现状，以低成本、小型化、智能化为准则，进行了光组件核心数字驱动控制芯片的设计与封装技术研究；在此基础上，与可调光灯具形成低成本智能控制多通道RGB+白光标准光组件，下面对具体技术路线进行介绍：

（1）低成本可编程内核的LED数字电源管理芯片设计

电源管理芯片属于物联网三层结构中的感知互动层，主要实现对灯具信息的采集、识别和控制，本项目芯片采用片上系统（SIP）设计的思想，利用标准CMOS工艺将射频、模拟和数字电路统一设计实现于单片芯片中。研发从四部分功能实现入手，包括传感模块，处理模块，无线收发模块和能量管理模块。芯片架构如图l所示。

处理模块实现数据处理与存储，芯片采用频率为50MHz的32位ARM Cortex-MO内核的MCu进行开发，同时嵌入32KB的FLASH和8KB的SRAM存储；作为芯片主要处理单元。

传感模块实现数据采集、控制信号输出与数模转换，关键数模混合集成电路设计包括可配置模拟前端以及高压驱动设计，由多个前端总线、放大器、比较器、DAC、多通道ADC以及4个门级驱动构成。采用BUCK降压拓扑结构设计，对PWM进行调节，形成高精度实时闭环恒流控制，以实现0%-100%无极调光；同时，4个门极驱动利用芯片内部高速信号驱动外接功率器件，实现RGBW四通道色温可调以及独有大于100V高压驱动；进行匹配电路设计，可实现基于LED照明模组的宽功率适应。ADC设计采样率200KHz，驱动频率>100KHz，通过特殊调光算法优化，可实现无频闪效果及人眼视觉曲线调光过程。

无线收发模块实现节点与外界信息交互，根据无线收发系统组成和CMOS电路功耗来源，研究总结低功耗收发系统架构；根据IEEE 802 15.4标准，选择接收机和发射机进行ADS系统仿真验证，设计并制定了无线收发系统及各个模块电路的性能参数指标，对关键模块电路如低噪声放大器、功率放大器、混频器、变增益放大器和滤波器等进行低功耗设计。

能量管理模块实现芯片系统电源管理，根据芯片功能需求，进行多供电模式设计，包括高压供电模式、超高压Buck模式、AC/DC模式以及flyback模式，可接受高达52V的DC输入或线性AC输入；同时进行安全性设计，包括电源的稳压、温度监控，休眠管理，故障和报警检测等方面。

（2）LED数字电源管理芯片片上系统集成封装设计

电源管理芯片封装应用Q封或MCM封装技术，在高密度多层互联封装框架基板上，采用Bonding或SMT方式将片上系统芯片塑封成一体式的电子芯片模块。方法如下：设计IC芯片系统集成功能验证中测方法，将板级系统功能导入IC封装框架方案设计；IC芯片系统封装形态选型、规划与代工方案选择；提取封装模型，进行电性能、SI/PI性能、热性能分析；在此基础上进行原理图设计、版图设计以及整体性能分析，生成加工文件进行封装加工，进行过程控制；最后进行封装成测数据收集分析。封装可实现系统内部信号传输快速响应，系统芯片体积小型化，同时改善芯片散热，保障系统芯片的高可靠性，大幅度降低成本。互联封装示意图如图2。

（3）低成本智能控制多通道RGB+白光标准光组件研究

研究分析基于物联网的智能照明光组件的系统级解决方案，基于上述自主研发数字电源管理芯片（应用范例见图3），根据典型LED照明产品球泡灯、筒灯、射灯以及灯管特性，进行了低成本智能控制多通道RGB+白光光源组件的应用研究与验证。根据智能照明需求，分别从光、机、电＼控制、热、工艺五个方面进行灯具整体设计。通过理论分析、数值计算以及建模仿真，考量结构是否满足设计目标要求；研究智能照明产品驱动RGB+白光多通道独立控制关键技术，进行低成本智能控制的LED多通道可调光驱动电源研制，并进一步形成RGB+白光标准光组件，开展光机电热接口规格化、标准化研究，形成可兼容、可互換系列产品。

（三）结论与讨论

综上所述，针对当前传统光组件产品智能控制国外垄断严重、方案复杂、成本较高、功能稀缺、系统兼容性差等问题，进行面向智能照明与物联网集成的光组件研究，研发低成本高集成度多功能新型智能控制数字驱动光组件产品。光组件数字驱动控制芯片基于单芯片数模混合集成电路设计技术，采用高密度多层互联封装框架基板的一体式封装，实现物联网应用场景传感模块、处理模块、无线收发模块与能量管理模块全功能模块片上系统（SIP）集成。在此基础上，结合色温可调灯具，进行算法优化与接口技术研究，实现如下两点创新：一、首次实现低成本可编程内核的LED数字电源管理芯片传感、处理、无线通信、能量管理多功能片上系统（SIP）集成。二、LED数字电源管理芯片具备RGB+白光多通道色温调节功能；0%-100%无极调光功能；含人眼视觉曲线校正功能；ZIGBEE射频通信功能。并形成具有自主知识产权的低成本智能控制多通道RGB+白光标准光组件，实现0%-100%无极调光、光色一体化调节及无线智能调控，对推动基于物联网的智能照明关键基础器件应用研究发展与产业化具有重要的意义。