中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

數位可定址調光系統之研究

An Study of Digital Addressable Dimmable Systems

系 所 別：電機工程學系 碩士班 學號姓名：M09801007 劉華智 指導教授：王志湖 博士

中 華 民 國 100 年 8 月

I

摘要

隨著照明燈具日益的進步，為了達到省電及節能減碳，使用目前時下最流行的 LED 燈，LED 燈相關產品也漸漸受到各家廠商的重視，例如:LED 燈的電子安定器。以往的 電子安定器除了控制開/關的功能，現在加入調亮度的功能，並且針對 LED 電子安定 器中加入功率因數校正的電路，來提升照明燈具的用電效率。

本論文是以目前照明控制最新提出之數位可定址調光系統進行研究，及對之相關內 容詳細介紹，並透過 DALI Network 下命令來達到調整亮度及改變情境的功能，最後 使用 LED 燈來作為模擬之場景。

關鍵字: 功率因數校正、LED 電子安定器、數位可定址照明介面

II

ABSTRACT

According to lighting system progression, in order to save energy and reduce carbon emissions, there is now a trend of using LED lighting. Many companies have impacted the general use of LED lights and encouraged its growth amongst consumers. For example, ballasts have become more widely used in LED lighting systems. Previously, ballasts only had on-off functions, but now they have dimming capabilities. In order to save energy, a power factor correction function is added to the ballasts to improve the lighting systems and energy performance effectively.

Previously, dimmers were operated by analog controls, but with the DALI Network, we are now able to control the energy usages for each individual light source digitally. For example, with analog systems several wire connections were needed to control light

sources, but with the DALI Network, only two wires are needed with no polarity, making it easy to install. Also, the DALI Network is customizable for different venues and scenes.

Keywords: Power factor corrections, LED ballast, digital addressable lighting interface

III

誌謝

時光飛逝，兩年的研究所生活過得很充實，還記得碩一剛進入研究所時還懵懵懂懂 的，對未來研究目標還摸不著方向，但經過這兩年來的學習與努力，不僅僅只學到課 本裡的知識，也學到了實作方面的技術，例如:圖書館網路配線、電源配線、電路板 焊接、電路板雕刻等等。

研究所兩年中接受到許多人的指導，首先我要謝謝我的指導教授王志湖老師，謝謝 老師這兩年來不辭辛勞的教導，讓我學到許多專業上的知識。再來我要感謝田慶誠老 師，謝謝老師所指導有關天線設計理論的專業知識，讓我受益良多，兩位老師對我的 關心不僅止於課業上，在日常生活中遇到了困難也會幫助我解決問題，在我遇到困難 時給我必要的幫助，最後也會讓我安然渡過難關，順利的完成碩士論文並拿到學位，

真的非常謝謝老師。

我還要感謝曾經幫助過我的大學長們，江俊杰、莊青龍、鍾仁峯、陳金正，謝謝他 們在硬體與軟體上技術的指導，從他們身上學到了更有效率解決問題的方法，謝謝他 們在這兩年中的學術指導。

再來感謝一起共同努力的學長，鄭權佑、鄭名偉、顏子揚，以及共同一起奮鬥的同 學，王振芳、周佳龍、吳孟勤、古一喬、林建州、張佳偉，以及學弟妹，洪文正、李 佩蓉、劉佳婷、許靜宜、林建安，大家一起努力與奮鬥換來完美的結果，也謝謝他們 陪我一起渡過研究所兩年的生活。

最後我要感謝我的家人以及我的女朋友，謝謝他們給我的支持與鼓勵，我才能順利 的完成這兩年的學業。

對於其他未提及之所有曾經幫助我的人，在此一併致最深深的感謝。

劉華智 謹識 中華民國一百年八月 于新竹

IV

目錄

摘要 ... I ABSTRACT ... II 誌謝 ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... VI 表目錄 ... VIII

第一章 緒論 ... 1

1-1 研究動機 ... 1

1-2 LED 應用與基本點亮原理: ... 3

1-3 調光技術 ... 6

1-3.1 TRIAC 調光 ... 7

1-3.2 直流控制調光 ... 7

1-3.3 RS485 調光 ... 7

1-3.4 DALI 調光 ... 8

1-3.5 Wireless 調光 ... 9

第二章 系統架構 ... 10

2-1 功率因數 ... 11

2-2 DALI 通訊協議 ... 15

2-3DALI 傳輸特性與傳輸規範 ... 15

2-4Bi-phase levels ... 16

2-5 位元電氣特性 ... 16

2-6 DALI 發送框架格式(Frame format) ... 17

2-7 回傳框架格式(Backward frame) ... 18

2-8 重整時間 Settling time ... 19

第三章 硬體設計 ... 21

3-1 LED Driver 電路設計 ... 21

3-2 MCU-DALI 電路 ... 23

3-3 被動式 PFC 電路 ... 24

3-4 主動式 PFC 電路 ... 25

3-5 橋式整流、EMI Filter 電路 ... 28

第四章 軟體設計 ... 30

4-1 PWM 控制程式流程圖 ... 30

4-2 DALI 調光程式流程圖 ... 33

第五章 綜合測詴 ... 34

5-1 利用 DALI 系統進行 LED 燈光亮度控制... 34

V

5-2 LED BALLAST 電路實作照片 ... 36 第六章 結論 ... 38 參考文獻 ... 39

VI

圖目錄

圖 1-2.1 LED 點亮電路 ... 3

圖 1-2.2 LED 關閉電路 ... 4

圖 1-2.3 LED 照明三大考量方塊 ... 4

圖 1-2.4 PWM 控制圖 ... 5

圖 1-2.5 LED 串並聯電路 ... 5

圖 1-3.1 TRIAC 調光電路 ... 7

圖 1-3.2 TRIAC 調光電路 ... 7

圖 1-3.3 RS485 調光電路 ... 8

圖 1-3.4 DALI 調光電路 ... 8

圖 1-3.5 Wireless 調光電路 ... 9

圖 2.1 系統架構圖 ... 10

圖 2-1.1 功率因數低落原因示意圖 ... 12

圖 2-1.2 主動式 PFC 原理 ... 14

圖 2-1.3 主動式 PFC 架構原理圖 ... 14

圖 2-1.4 功率因數校正後示意圖 ... 14

圖 2.2 DALI 傳輸框架圖 ... 16

圖 2.3 Bi-phase levels 符號示意圖 ... 16

圖 2.4 位元電氣特性示意圖 ... 17

圖 2.5 DALI 發送框架示意圖 ... 18

圖 2.6 回傳框架示意圖 ... 19

圖 2.7(a)發送框架到發送框架示意圖 ... 19

圖 2.7(b)發送框架到回傳框架示意圖 ... 19

圖 2.7(c)回傳框架到發送框架示意圖 ... 20

圖 2.8 軟體架構圖 ... 20

圖 3-1.1 ZXLD1362 內部方塊圖[6] ... 21

圖 3-1.2 LED 驅動電路 ... 22

圖 3-1.3 ZXLD1362 PCB Layout ... 22

圖 3-2.1 MCU-DALI 橋接板 ... 23

圖 3-2.2 MCU-DALI PCB Layout ... 23

圖 3-3.1 被動式 PFC 電路 ... 24

圖 3-3.2 被動式 PFC Layout ... 24

圖 3-4.1 L6562D 內部方塊圖[5] ... 25

圖 3-4.2 L6562D 應用電路 ... 26

圖 3-4.3 L6562D PCB Layout ... 27

圖 3-4.4 L6562D 周邊電路圖 ... 27

VII

圖 3-5.1 橋式整流輸出未接上 C16 電容之波形 ... 28

圖 3-5.2 橋式整流輸出接上 C16 電容之波形 ... 28

圖 3-5.3 橋式整流濾波電路圖 ... 29

圖 3-5.4 橋式整流濾波 PCB Layout ... 29

圖 4-1.1 PWM 模式示意圖 ... 30

圖 4-1.2 PCA 模式方塊圖[7] ... 31

圖 4-1.3 PWM 程式流程圖 ... 32

圖 4-1.4 PWM 量測波形 ... 32

圖 4.1DALI 調光程式流程圖 ... 33

圖 5-1.1 測詴系統架構圖 ... 34

圖 5-1.2 DALI 實作圖 ... 34

圖 5-1.3(a)LED 燈功率為額定功率 10%亮度 ... 35

圖 5-1.3(b)LED 燈功率為額定功率 50%亮度 ... 35

圖 5-1.3(c)LED 燈功率為額定功率 100%(MAX)亮度 ... 35

圖 5-1.3(a)(b)(c)不同功率之 LED 燈亮度照片... 35

圖 5-1.4 額定功率 vs Lux 曲線圖 ... 36

圖 5-2.1(a)LED BALLAST 接 LED DRIVER 照片 ... 36

圖 5-2.1(b) 40V 的 LED 燈具實作照片 ... 37

圖 5-2.1(c) 40V 的 LED 燈具功率因數值 ... 37

VIII

表目錄

表 1.1 各時期的照明的優缺點 ... 1

表 1.2 各類照明電器特性及優缺點 ... 2

表 2.1 被動式 PFC 電子安定器性能、特點 ... 12

表 2.2 主動式 PFC 電子安定器性能、特點 ... 13

表 3.1 L6562D 接腳功能 ... 26

表 4.1 ZXLD1362 PWM 頻率規範[6] ... 30

1

第一章 緒論

1-1 研究動機

人工照明的歷史起源自於人類對火的控制及利用，人類開始使用火的時間可以推到 150~170 萬年前，剛開始使用自然界產生的火源，以乾枯柴為燃料，後來漸漸想到保 存及移動火種，以利夜晚照明。

照明是人類夜晚生活及安全的基本需求之一，也應生活方便性其燃料也有相當的改 變，由火、煤炭、燃油到電源，也就是燈具由第一代燃燒實體光源、第二代燃油蠟燈、

到現代使用電源的白熾燈、螢光燈、水銀燈、HID 燈，及新一代照明的半導體建構的 固態照明: 發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱 LED)照明裝置。 表 1.1 說明個時 代的照明的優缺點。

表 1.1 各時期的照明的優缺點

第一代 第二代 第三代 第四代

燃料 乾枯柴 油及蠟 電 電

安全性 極差 差 良好 極佳

環保 極差 差 良好 極佳

耗能 極差 差 良好 極佳

情境控制 極難 難 佳 極佳

基本上一個好的照明系統必頇具備以下特性:

(1)充份的照度與均勻的配光適當的輝度。

2

(2)避免刺眼的眩光。

(3)鮮艷自然的色彩演(顯)色性。

(4)調整氣溫感受的色溫。

(5)減低影響生理健康的閃爍。

(6)選用省電高效率(發光效率)光源與燈具。

(7)合理照明導向下的節能基準 UPD、LPD。

根據以上特性特將目前市售的各類照明電器特性及優缺點於表 1.2。

表 1.2 各類照明電器特性及優缺點[1]

基於以上理由，本論文將使用 LED 照明作為研究之主題，研究方向將著重於:以安 全、環保、節能為目的，且賦予情境控制與網路控制，作為智慧建築之照明系統，主 要研究將著眼於設計 LED 照明之調光電子安定器(Ballast)硬體與軟體，其中硬體將探 討 PFC 的改善 、PWM 調光技術及數位定址照明介面(Digital Addressable Lighting Interface，簡稱 DALI)及微控制電路；軟體則著重於 DALI 協定命令解譯，及相關調 光、情境控制技術程式設計。

3

1-2 LED 應用與基本點亮原理:

發光二極體為半導體材料製成之 p-n 二極體。體積小、發光效率高，近年來被廣 泛應於各種場合，如: 交通紅綠燈、指示燈、汽、機車燈、LCD 背光板、路燈，及家 庭照明。

LED 是一種特殊的半導體元件，若將它點亮則必頇工作在順向偏壓，如圖 1-2.1 所 示。

圖 1-2.1 LED 點亮電路

圖 1-2.1 說明 LED 的 P 端接在電池的正端，電池的負端則接在 LED 的 N 端，且電 壓 V

_D

必頇大於點亮電壓，常見幾種顏色 LED 的 V

_D

大致如後:

 紅色:約 1.8V

 黃色:約 1.9V

 綠色:約 2.0V

 藍色:約 2.8V

 白色:約 3V

流經 LED 的順向電流 I

_D

必頇也大於點亮電流數十微安~數百微安及小於最大功耗電 流約 30mA。

4

若要使得 LED 不亮則可以用開關或將它置於 OFF 或逆向偏壓，如圖 1-2.2 所示。

圖 1-2.2 LED 關閉電路

圖 1-2.1 與圖 1-2.2 只是單顆 LED 點亮或關閉原理，若要構成照明系統則必頇考量 電源、點亮技術及 LED 串並聯技巧，如圖 1-2.3 所示。

圖 1-2.3 LED 照明三大考量方塊

電源供應主要提供 LED 燈具之能源，它可以是:交流電:直接使用市電，也可以是直 流電。全球各地的市電電壓由 95V~265V，頻率則有 50Hz 與 60Hz 之分。直流電的來 源則更廣，可以是電池，也可以用太陽能電池，更可以使用市電經轉換器變成直流，

但使用市電經轉直流時需注意功率因素(Power Factor，簡稱 PF)，才能符合節能規範，

例如:>=15W 負載，PF 必頇大於 90%。

LED 的點亮控制方法則有下列方法:

 簡單 ON-OFF 控制

 調光控制

 線性調光:

 可變電阻

5

 定電流法

 開關電路:PWM

調光控制可分為線性調光與開關型電路調光；線性調光的方法即為改變二極體導通 電流，改變二極體導通電流可藉由可變電阻調控，或以定電流方式調控。開關型電路 調光的調光方法即為脈波寬度調變(Pulse-Width Modulation，簡稱 PWM)，藉由改變 脈波寬度的方法來控制燈光的亮暗，如圖 1-2.4 所示，其中 Pav=P*Ton/Tsw (1-1)

圖 1-2.4 PWM 控制圖

LED 在使用上因製程變異，使得每顆 LED 的電氣特性會有所差異，造成亮度不均 且散熱不良。解決方法可利用分類機將相同電氣特性與亮度之 LED 加以分類，使用 已分類之小功率 LED 串接(V

_D

=3V；I

_Dmax

=30mA)以求亮度均勻並利用串並聯技術使 之達到最佳散熱效果，其中 LED 串並聯電路如圖 1-2.5 所示。

圖 1-2.5 LED 串並聯電路

6

現代因為節能意識普及且對於舒適視覺照明的日溢要求，普通的開關型燈具照明已 無法滿足現代人所需因而促使新一代智慧型照明發滿，其中智慧型照明的定義如下所 示:

 開關功能

 調光功能

 可搭配感測器調控

 情境控制

 節能調控

 遠端遙控

 網路控制

新一代的智慧型照明燈具可控制燈光強弱並可結合感測器調控如:亮度感測器。利 用亮度感測器偵測室內燈光並由智慧型燈具對於室內亮度做調整，即可達到節省能源 避免不必要浪費；此外結合網路控制功能，利用網路控制方法可對於所有燈具進行情 境控制，例如會議模式、劇院模式等。

1-3 調光技術

目前常用的調光技術主要有以下五種

 TRIAC 調光

 直流控制調光

 RS485 調光

 DALI 調光

 Wireless

7

1-3.1 TRIAC 調光

圖 1-3.1 TRIAC 調光電路 優點:成本低

缺點:施工頇額外配線很難配合感測器做最佳控制、無法網路化

1-3.2 直流控制調光

圖 1-3.2 TRIAC 調光電路 優點:成本低

缺點:施工頇額外配線很難配合感測器做最佳控制、無法網路化

1-3.3 RS485 調光

RS-485 介面採用半雙工網路，只需兩根連線，所以均採用遮罩雙絞線傳輸。

RS-485 電氣特性具備以下優點:(1)在 RS-485 中邏輯”1”以兩線間的電壓差 2V 到 6V

8

表示，邏輯”0”以兩線電壓差-2V 到-6V 表示，介面電位低較不易燒壞電路晶片。

(2)RS-485 最高傳輸速率為 10Mbps。(3)抗共模能力強，抗干擾性能好。(4)RS-485 最 大傳輸距離標準值 1.2 公里，在同一匯流排最多很連接 128 個接收器。

缺點:(1)成本較高。(2)施工的話需要額外配線。(3)現在各家 RS-485 的通訊協議 不一較難以整合。

圖 1-3.3 RS485 調光電路

優點:可配合感測器做最佳控制、網路化但施工較複雜

缺點:成本高、施工頇額外網路配線、各家的燈光控制協議不一，難以整合

1-3.4 DALI 調光

圖 1-3.4 DALI 調光電路

9

優點: 可配合感測器做最佳控制、網路化，但施工較容易、

完整且標準的燈光控制協 議 IEC62386 缺點: 成本高、施工頇額外網路配線

1-3.5 Wireless 調光

圖 1-3.5 Wireless 調光電路

優點:可配合感測器做最佳化控制，以及可以發展成網路化，施工較容易。

缺點:成本較高，且施工頇額外配線，易受電磁干擾，尤其是開關式的電源，各家的 通訊協議不一難以整合。

綜合以上比較，本論文之調光功能採取 PWM 調光方式，使用 DALI 系統架構此通 訊網路，DALI 系統具有可定址調光之功能適用於智慧型照明情境控制並且其電路 PFC 符合節能規範。

10

第二章 系統架構

我們需要設計一可直接結合市電使用且功率因數達 0.95 以上之可調光電路；此電 路具有通訊界面，為了可調控燈光此系統必頇具備定址功能且可以情境需要設定場景 之功能。

依照以上需求，繪製出圖 2.1 系統架構圖。此系統由市電 110V 直接供給電源，並 經過 EMI 低通濾波器防止電氣干擾，接著通過橋式整流器到 PFC 電路及反激式穩壓 器 (Flyback Regulator)；變壓器分成三個輸出，DC Output 可做 24V~40V 輸出送到 LED 燈具，5V 迴受端可供給電源給 MCU 使用，最後一個輔助線圈可供給 PFC Chip 使用；

根據此系統我們可使用 DALI Network 下達 DALI 協定命令於 MCU，再 MCU 送 PWM 訊號到 LED Driver 進行 LED 燈調光控制。

圖 2.1 系統架構圖

依照圖 2.1 系統方塊圖，底下將探討 PFC 相關技術與 DALI 系統介紹。

11

2-1 功率因數

功率因數(Power Factor Correction，簡稱 PFC)是指有效功率與總耗電量(視在功率) 之間的關係，也就是有效功率除以視在功率的比值。功率因數可看出電力被有效利用 的程度。

對於電器設備進行功率因數校正的好處包含 (1)節省電費

(2)增加電力系統容量 (3)穩定電流

(4)避免能源浪費

目前各國對用電之功率都有明定規範，2001 年一月，歐盟正式對電子設備諧波有 詳細的規範，規定凡是輸出 75W-600W 範圍之間的電子設備，都必頇通過諧波測詴 (Harmonics test)，測量待測物對電力系統所產生的諧波干擾；中國大陸從 2002 年 5 月起，規範凡政府機關採購之電子設備，皆將功率因數校正視為電子設備的標準配 備；日本也著手研擬關於節約電力的各項方案；由此可知，世界各國對於能源是否被 有效利用相當重視，可知今後電子產品皆頇滿足功率因數相關規範，否則無法進入國 際市場[2]。

功率因數低落的主要原因為電壓與電流不同相位，主要原因為交流電經整流濾波轉 成直流電後容易造成電壓與電流相位不同，因而產生虛功使得能量損耗。市電經由整 流電路後，產生電壓與電流相位偏差 ，此即為功率因數低落的主要成因，如圖 2-1.1 所示。

12

圖 2-1.1 功率因數低落原因示意圖

改善 PFC 方法主要分為主動式 PFC(Active Power Factor Correction，簡稱 APFC)校 正電路與被動式 PFC(Passive Power Factor Correction，簡稱 PPFC)校正電路。

被動式功率因數校正是採用電感、電容組成的低通、帶通濾波器，工作在交流輸入 市電(50Hz/60Hz)，對輸入電流波形進行相位調整。由於工作在交流市電頻率下電感、

電容元件較為龐大，因而組成的被動式電路體積也比較大。被動式功率校正具有電路 構造簡單的優點，但補償特性受電網阻抗、負載特性影響，並且會與電網阻抗發生諧 振造成電器元件的損壞，不能對諧振與無功功率實現補償的功能，其電子安定器性 能、特點優缺點整理如表 2.1。

表 2.1 被動式 PFC 電子安定器性能、特點

類別 電路特徵 PF 值 THD 值 優點 缺點

被動式 PFC

1.由二極體、電感、電容、

電阻所組成 PFC 電路 2.用 LC 串並聯諧振電路校 正功率因數，抑制電流諧波

1.

0.6~0.8 20%~130% 1 電路簡 單 2.成本低

1. 電壓變化範圍小 2. 元件要求高

3. 可靠性一般

主動式功率因數校正更能實現理想的功率校正的功能，可以使功率因數趨近於 1 或等於 1，總諧波失真(THD)<5% 電路動作主要靠著電感電流以連續導通模式 (Continuous Conduction Mode,CCM)或非連續導通模式模式(Discontinuous Conduction

13

Mode,DCM)，由於主動式功率因數具有較好的補償特性，是抑制諧波電流、提高功 率因數的最佳方法[4]。一般主動式功率因數校正電路有兩個 Feedback 控制方式，一 個是輸入電流控制另一個是輸出電壓控制。利用輸出電流來控制功率因數校正 DC/DC 變壓器輸入電流，使與全波整流輸入電壓波形能夠相同；利用電壓控制方式 來使功率因數校正電路輸出一個等效為直流穩壓電源，其電子安定器性能、特點優缺 點整理如表 2.2。

表 2.2 主動式 PFC 電子安定器性能、特點

類別 電路特徵 PF 值 THD

值

優點 缺點

主動式 PFC

1.由 IC 及功率晶體組 成的濾波電路 2. 工作頻率可選擇

100kHz 以上

2.

>98% <10% 1.光輸出穩定 2.性能較高

3.交流市電輸入範圍高

4.交流市電輸入電流失真小

1. 線路複雜

2. 成本高

主動式功率因數校正其原理圖可參照圖2-1.2，若交流電輸入 (2-1)

則電感峰值為 (2-2) 在一輸入電壓週期內，若功率開關之導通時間保持一定，則電感峰值電流為

(2-3) 使得輸入電流與輸入電壓為相同相位。由式 2-1 式 2-2 及式 2-3 可推導出

電感峰值電流之最大值 (2-4)

14

圖 2-1.2 主動式 PFC 原理[3]

主動式 PFC 架構電路圖如圖 2-1.3

圖 2-1.3 主動式 PFC 架構原理圖

由以上可知電路系統經過功率因數校正電路後，可將其電壓與電流調整至盡量相同 相位，使其能源轉換功率上升，其示意圖如圖 2-1.4。

圖 2-1.4 功率因數校正後示意圖

15

2-2 DALI 通訊協議

數位可定址調光系統(Digital Addressable Lighting Interface，簡稱 DALI)，在 DALI 通訊標準中針對照明控制信號以及燈光控制系統訂定一套 IEC60929 及 IEC-62386 DALI 通訊協定，主要可以簡化照明系統的安裝，DALI 是一個開放式的系統架構，

可以應用在不同廠牌的電子安定器與調光控制設備以及傳感器等組合成的照明系 統，由於是數位控制，DALI 可以分別對每個電子安定器去做控制，透過 DALI 調光 控制可達到節能的效果，並透過中央監控可降低系統維護費用，系統簡單、元件少，

系統成本較低，隨插即用的規格，所以 DALI 很適合應用在辦公室、會議廳、大學教 室、智慧家庭等建築來做使用，DALI 系統有以下幾個優點:

(1)安裝容易及簡化複雜的照明系統連接線。

(2)可以在任何時刻對單一照明或群組照明設備透過定址的方式對照明系統做控制。

(3)通訊資料簡單不會互相干擾照明控制信號。

(4)系統會回覆電子安定器工作的相關資訊，如:故障燈、DALI 控制群組、調光亮滅時 間、每個電子安定器的輸出功率等等。

(5)可以自動搜尋在同網路裡 DALI 安定器。

(6)可直接控制照明設備的亮度值。

(7)調光時間控制。

(8)辨識每個 DALI 安定器及照明設備。

(9)可用於緊急照明，通訊裡有一個命令就是當碰到緊急狀況停電時，DALI 照明可透 過照明的表示來告知疏散方向。

(10)控制功能強、成本低。

2-3DALI 傳輸特性與傳輸規範

圖 2.2 是 DALI 傳輸示意圖，透過 DALI Network 下命令，而 MCU-DALI 端收到命 令後依使用者下的命令來作出回應，其回應可能是調整燈的亮度、設定場景模式、或 是回傳數據狀態等。DALI 通訊協定使用雙相曼徹斯特編碼之非同步串列資料格式，

資料傳輸速率:1.2kbps，Te=

，

雙相位元之位元週期為833.33μS

±10%，順向格式為 19 個雙相編碼位元組:1bit 啟始位元 Start (0 變到１,邏輯１)、1byte 地址(8-bit 地址)、1byte 資料(8-bit 資料)、2bits 高電位元停止位元(無相位元改變)。

16

圖 2.2 DALI 傳輸框架圖

2-4Bi-phase levels

DALI 傳輸之位元是使用雙相位元之位元週期為 833.33μS ±10%，也就是兩個振盪 週期，在兩個振盪週期時間內上升緣表示 Logical”1”，反之在兩個振盪週期時間內下 降緣表示 Logical”0”，如圖 2.3 所示。

圖 2.3 Bi-phase levels 符號示意圖

2-5 位元電氣特性

由於 DALI 傳輸位元是由 Bi-phase levels 來判斷，也就是說判斷 Logical”1”跟

17

Logical”0”準備來定義，如圖 2.4 所示，位元電氣規範裡只要介於 9.5V~22.5V 為高位 準，典型值為 16V;而介於-6.5V~+6.5V 之間為低準位，典型值為 10V。上升與下降時 間規範在 10μs~100μs 之間。

圖 2.4 位元電氣特性示意圖

2-6 DALI 發送框架格式(Frame format)

DALI 在沒有傳輸閒置狀態(Idle state)下皆為高準位，所以需要有一個起始位元(Start bit)來作為開始傳輸的指示，因此不管 Forward 跟 Backward 都需要一個開始位元，因 此只要收到連續兩個 bit 不變的高準位，並得知停止傳輸，此時需要兩個位元的 Stop bits 來作為停止傳輸的動作。

如圖 2.5 所示，發送框架主要分成兩個部分，一為定址位元(Address byte)、另一 為資料位元(Data byte)，第一個 byte 為定址位元組，這個 byte 主要是設定控制單元，

一共可以設定 64 個 Device，分別是 0~63 位置是:YAAA AAAS，定址位元中包含一 個定義位元(Address classification bit,簡稱為 CB)，六個定址位元(Address bits)分別是

18

A5~A0，以及一個選擇位元(Select bit,簡稱為 SB)。定義位元的代表意義，若為”0”表 示一個獨立的位置(Individual address)，只對單一電子裝置做控制，若為”1”表示對一 個群組(Group address)或是廣播的方式(Broadcast)來做控制。而 Select bit,SB 位元，若 設定為”0”表示直接跳到控制電燈亮度到 Max level 或是 Min level 等等，如果設定 成”1”就是以下命令的模式來控制電子裝置。

圖 2.5 DALI 發送框架示意圖

2-7 回傳框架格式(Backward frame)

圖 2.6 所示，回傳框架只有一組資料位元組，主要是回應發送框架所下的要求，根 據命令回傳 Yes or No，所以回應 Yes(D7~D0=”1111 1111”)，若回應 No(D7~D0=”0000 0000”)系統處於閒置狀態(Idle line)，或是 8 位元資料。

19

圖 2.6 回傳框架示意圖

2-8 重整時間 Settling time

使用串列埠傳輸需在框架與框架之前設定 Delay 時間，以免發生資料傳輸錯誤的情 況，這段時間就叫做重整時間(Setting time)。重整時間包含了兩個連續發送框架、發 送框架到回傳框架、回傳框架到發送框架。如圖 2.7(a)(b)(c)所示，2T 表示兩個 clock 時間，所以兩個發送框架或是回傳框架結束到下一個發送框的重整時間為 22T，為 9.17ms。而發送框架等待回傳框架的重整時間為 7T~22T，為 2.92ms~9.17ms 之間。

若一個回傳框架超過 22T(9.17ms)的時間沒回傳，這將視為”No Answer”。

圖 2.7(a)發送框架到發送框架示意圖

圖 2.7(b)發送框架到回傳框架示意圖

20

圖 2.7(c)回傳框架到發送框架示意圖

2-9 軟體架構

圖 2.8 為軟體架構圖，主程式執行，一開始從 PWM 程式段作設定，接著是 DALI 等待命令及資料，再去做判斷是屬於哪一種命令格式，最後送出調光命令來達到調控 燈具之功能。

圖 2.8 軟體架構圖

21

第三章 硬體設計

3-1 LED Driver 電路設計

LED 驅動電路，使用的是 ZXLD1362 這顆 IC，主要是透過電感降壓的連續模式，

輸入電壓範圍可從 6V-60V 之間，並有一個外部可調電流輸出高達 1A 的腳位，根據 不同的供應電壓和外部元件，這樣可以提供高達 50 瓦以上的輸出功率，如圖 3-1.1 內部有一個 60V 的 MOS 開關和電流檢測電路，及外部檢測電阻設定平均輸出電流，當 需要控制 LED 亮度時, 外部直流電壓或 PWM 控制信號送到 ADJ 腳位上,從而上下調整 輸出電流.該驅動器的內部 PWM 濾波器可通過控制輸入/輸出電流的上升實現軟啟動 功能，利用外部電容器還可以進一步延長軟啟動時間，只要在 ADJ 引腳加上低電壓, 即可關掉輸出。

圖 3-1.1 ZXLD1362 內部方塊圖[6]

MCU 輸出 PWM 訊號到 ZXLE1362 的 ADJ 腳位並收到 MCU 送出的 PWM 訊號作 調光。圖 3-1.2 是 ZXLD1362 電路圖，Vin 輸入 24V~40V 的直流電，MCU 的 PWM 輸出送到 ZXLD1362 的 ADJ 腳，LED Lamps 接上 LED 燈具。

22

圖 3-1.2 LED 驅動電路

圖 3-1.3 ZXLD1362 PCB Layout

23

3-2 MCU-DALI 電路

圖3-2.1是MCU-DALI電路圖，這塊電路主要是將MCU能夠跟DALI系統做溝通，將

PWM程式燒錄至MCU，並透過PWM輸出腳位送出PWM訊號給DALI。

C19

0.1uF C18

1nF P4.7

1 CEX4/MISO/AIN6/P1.6

3 CEX3/MOSI/AIN5/P1.5 2 CEX5/SPICLK/AIN7/P1.7

4 RST

5 RXD/P3.0

6

INT2/P4.3 7 TXD/P3.1

8

INT0/P3.2

9

INT1/P3.3 10

T0TKO/T0/P3.4 11

S2CKO/ALE/T1/P3.5 12

WR/P3.6

13RD/P 3.714

XTAL2

15XTAL1 16Vss

17P4.0 18KBI0/A8/P2.0

19KBI1/A9/P2.1 20KBI2/A10/P2.2

21KBI3/A11/P2.3 22KBI4/A12/P2.4

23P4.4

24 P4.5

25 P2.5/A13/KBI5

26 P2.6/A14/KBI6

27 P2.7/A15/KBI8

28 OCD/SCL

29 OCD/SDA

30 P4.1/ALE/

31 V30

32 P0.7/AD7

33 P0.6/AD6

34 P0.5/AD5

35 P0.4/AD4

36

P0.3/AD3

37

P0.2/AD2

38

P0.1/AD1

39

P0.0/AD0

40

VDD

41

P4.2/INT3

42

P1.0/T2/AIN0/T2CKO

43

P1.1/T2EX/AIN1/ECI

44

P1.2/AIN2/S2RXD/CEX0

45

P1.3/AIN3/S2TXD/CEX1

46

P1.4/AIN4/SS/CEX2

47

P4.6

48

U4

MPC82G516AD

RST P47

P15

P16

P17

P30

P43

P31

P32

P33

P34

P35

P36P37 XTAL1

XTAL2 GNDP40P20P21P22P23P24P44 P45

P25 P26 P27 OCD/SCL OCD/SDA P41 V30

P00P01P02P03 P04

P05

P06

P07

P46 P10

P11

P12

P13

P14 P42VCC C6

4.7uF

GND VCC

V30 12 C3

0.1uF

GND GND

VCC

C4

5.6pF TXD P31

TXD

RXD OCD/SCL

OCD/SDA

12

P2

Header 2 C2

0.1uF

GND C1

5.6pF VCC

VCC RXD

TXD 123

LOAD1

DOWN LOAD 123

G1

3V/5V

1234

UART1

TX2/RX2 VCC

GND 12

C16

30pF 12 C15

30pF 6.8K R10

GND

GND XTAL1

XTAL2 GND

4 XTAL2

1

XTAL3 3

GND 2

Y2

22.1184MHz

12345

P7

Header 8

12345

P9

Header 5

12

P6

Header 8

123

P4

Header 8

123

P5

Header 3

1234

P8

Header 8

1234

P3

Header 4 P36

P37

P20

P21

P22

P23

P24 P25

P26

P27

P04

P05

P06

P07 P00

P01

P02

P03

P10

P11

P12

P13

P14 P15

P16

P17

P32

P33

P34

P35 12 C5

22uF/50V R4

22K

2

1R3

1K

21390 R1

Res1

1.2K R2

Res1

21R8 1.5K

21

R5

2.2K

21 R6

2.2R

3 1

2Q1 2N2222

DGND

DA1 1

1 2

2 3 3

4 4

U1

Component_1

1 1

2 2

3

3 4

4U2

Component_1

1 2

3

4 D1

BRIDGE1

DA2 3

12Q2

2N2222 P10

P11

GND

1 2

D2

1N4148

21 D3 Zener/5V DA1

DA2

12

P1

Header 2

P10 P11

12

DALI-1

TX-P10/RX-P11

1234

P10

Header 8

VCC

21P11

5V

GND

VCC C7

1uF

R7

10K VCC

GND

圖 3-2.1 MCU-DALI 橋接板

圖 3-2.2 MCU-DALI PCB Layout

24

3-3 被動式 PFC 電路

圖 3-3.1 所示的電路為填谷式(Valley-Fill)電路，也可叫做填谷充放電式功率因數校 正電路或填谷濾波電路，這種電路的充放電或濾波主要是調整與交流輸入電壓波形能 夠一致。整流輸出直流電通過電容 C1，二極體 D3 的正向電壓降很小，電容 C1、C2

的總電壓很快就被充至電壓 Vpeak 的 ，所以 Vc1=Vc2= 。負載的電主要是由整

流濾波的電源提供，當電源電壓高於 時 C1、C2 就會開始充電，反之當電源電

壓低於 時 C1、C2 通過二極體 D2、D3 供電給負載，所以 C1、C2 一直周而復始 的充電與放電，達到輸入電流波形跟輸入電壓波形相位接近，進而提升了功率因數。

-+

1 2 3

4 D1 + C3 +C1 D4

D3

D2 + C2

HGND HGND HGND HGND

VAC VDC

圖 3-3.1 被動式 PFC 電路

圖 3-3.2 被動式 PFC Layout

25

3-4 主動式 PFC 電路

使用的 IC 是由 STMicroelectronics 公司製作的，型號是 L6562D，此顆 IC 優點:

(1)兩級過電壓保護。

(2)低啟動電流 40μA。

(3)低工作電流 3.5mA。

(4)內部 START-UP TIMER。

(5)電流檢測。

(6)內部精確的參考電壓在 25℃時有 1%以內誤差率。

(7)具有較優的內部乘法器，對於較寬範圍的電壓具有較佳的 THD 值。

(8)具有 Disable 的功能，關閉系統，降低損耗。L6562D 主要利用暫態模式技術(Transient

mode technique)來達到輸入電流 Sin 波形、電壓、電流同相位。

圖 3-4.1 是 IC 內部方塊圖，Vcc 由 Pin8 供應電源給線性電壓調整器，產生 7V 的內 部電壓，供給 IC 使用，輸出端直接由 Vcc 供應。另外 IC 內部有一個精確的 2.5V 參 考電壓，可於控制來達到良好的輸出調整率。IC 內部有個電壓過低鎖定電路(Under Voltage Lock Out，簡稱 UVLO)，用來判斷當 Vcc 足夠到達啟動電壓 IC 才會正常工作，

表 3.1 為 L6562D 各接腳功能。

圖 3-4.1 L6562D 內部方塊圖[5]

26

表 3.1 L6562D 接腳功能

PIN 腳 名 稱 功 能

1 INV 誤差放大器反相端輸入

2 COMP 誤差放大器輸出 3 MULT 乘法器輸入

4 CS 利用電流偵測電阻 Rs，將電流轉成電壓輸入

5 ZCD 零電流偵測 6 GND 接地

7 GD 為 MOSFET 閘極驅動輸入

圖 3-4.2 是主動式 PFC 應用電路，AC 電源輸入之後經過橋式轉換將交流電壓轉換 成直流電壓，變壓器 TRF 產生隔離和傳遞儲存能量的作用，即在切換 Power MOS 導 通時，一次側儲存能量，切換 Power MOS 關閉時，一次側向二次側釋放能量。輸出 迴路有一個整流二極體，及一顆輸出電容。5V 的參考電壓由 TL431 產生，其 reference 腳位固定輸出 2.5V，利用分壓產生 24V~40V 電壓調整範圍，當電壓過高或高低時會 影響光耦合器的發光二極體亮度，進而告知 L6562D 電壓過高或過低，調整 Power MOS Switching duty cycle，完成一個封閉回授電路，輸出電壓可從 24V~40V 作調整。

INV

1 COMP

2 MULT

3 CS

4 ZCD 5

GND 6

GD 7

Vcc 8

U1 L6562D

HGND 0.5R/1WR13

10R

R12 15V

5V

24V C11 1nF

GND

21 3

U3

TL431

1 2

D10SB560 +C10

470uF/16V

GND VCC

20K R4

2.4KR5 1.5MR1

1.5MR2

20K R3

2.2nFC2 220K

R9 220K

R8 HGND

47uF/50V C4 GND

D6

1N4937(FR157) 21

J5

24V Output

12

J1 HGND GND

HGND HGNDHGNDHGND 12 43876

EF25TRFTONY_Transformer EF25 P110/S38/S5

R11

10R D5

B1100LB D7

1N4418 R1439K 1 3

D9

TONY_BY80-200(MUR860G) R192.2K

R183.3K

+

C7

2200uF/25V 4.7nFC9 +C8

2200uF/25V

470nF

C1 R2022K

R214.7K

+

C3220nF/450V HGND

D8

BYT13-600R15500K

HGND+C6

47uF/450V 21J2

450V Output 21

J4

5V Output

39K

R6 9.1KR7 56K/2WR10 47nF/250VC5 10K

R17

HGND HGND 12

J3

Header 2

R16500K

2.2uFC12

D111N4148 D121N4148 D1

1N4007D2

1N4007D3

1N4007D4

1N4007 D131N41484.7KR22

F1

2A NC 312

456U2

4N35

Q1

IRF840 Q2

2N2222 10mHL1

Inductor R23

22K

圖 3-4.2 L6562D 應用電路

27

圖 3-4.3 L6562D PCB Layout

圖 3-4.4 是 L6562D 周邊電路，本論文研究的變壓器基本架構是隔離返馳式轉換器(The Isolated Flyback Converter)。

圖 3-4.4 L6562D 周邊電路圖

變壓器TRF EF25產生隔離和傳遞儲存能量的作用，即在切換電晶體Q1導通時，一次 側儲存能量，切換功率晶體Q1關閉時，一次側向二次側釋放能量。變壓器初級端由 D1和D3二極體組成的漏感尖峰吸收電路，輸出迴路有一個整流二極體，及一顆輸出 電容。5V的參考電壓由TL431產生，其reference腳位固定輸出2.5V，電壓過高過低會 影響光耦合器的發光二極體亮度，並告知L6562D，調整Power MOS Switching duty cycle，完成一個封閉回授電路。

28

3-5 橋式整流、EMI Filter 電路

輸入端可接兩種電壓分別是110V與220V，考慮誤差為±20%，如(3-1)所示輸入電壓 範圍介於88VAC~264VAC。如圖3-5.3所示，市電進來後接一個10Ω/1W的電阻，主要 是為了濾掉低頻雜訊，考慮到耐流所以本電路使用1W的電阻。另一端再接一個變阻 器(Varistor)，也可以叫做突波吸收器(Surge Absorber)，此元件會隨著電壓值不同而改 變電阻值的電阻器，當電壓超過額定電壓，變阻器電阻會急速下降趨近於短路，將突 波引導入電阻內，以熱的方式散發掉，藉以穩定電壓及突波電壓之功能，像是雷擊也 是會造成突波的現象，所以加上突波吸收器來避免電路元件受到突波電壓所影響而損 壞。然後經由橋式整流將直流電轉成交流電，當C16電容沒有接上時，其P1波形如圖 3-5.1所示。其中

Vrms V

V _DC 220 2 49 . 5 ~ 99 2 ~

110

2  

   

(3-1)

圖 3-5.1 橋式整流輸出未接上 C16 電容之波形

圖3-5.2是接上C16電容時的輸出波形。

圖 3-5.2 橋式整流輸出接上 C16 電容之波形

29

-+

1 2 3

4 D9

DB106G

DIP 1WR1710R

21

S5

AC IN90V-264AC INPUT LN F1

250V / 2A 12

RV1

CNR-07D471k 104/400V

12

TONY_104/400V 34

12 U5

52mH HGND HGND

+C16

22uF/400V 12

P1

Header 2

圖 3-5.3 橋式整流濾波電路圖

圖 3-5.4 橋式整流濾波 PCB Layout

30

第四章 軟體設計

4-1 PWM 控制程式流程圖

本論文是以脈波寬度調變(PWM)的方式控制 LED 燈的調光，LED Driver 選用 IC 是 ZETEX 公司的產品;型號:ZXLED1362，從表 4.1 看出 PWM frequency 要小於 300Hz，

所以訂出了 280Hz 來作為調亮度的頻率。

表 4.1 ZXLD1362 PWM 頻率規範[6]

訂定完調光頻率 280Hz 後，接下來要計算程式裡所要計數的次數及 Timer 時間，目 前一個總週期為 280Hz，所以大 T 是 280Hz，代入

f T 1

 ，

280

1

=

3.57ms (4-1)

，所以大 T 的時間為 3.57ms。接下來算小 t 的時間，因為調光是 8bit 的範圍，所以是 0~255 階，帶入(4-1)數值後得到

256 57 . 3 ms

=13.95μs (4-2)

，所以一階的時間是13.95μs，如圖 4-1.1 PWM 模式示意圖。

圖 4-1.1 PWM 模式示意圖

31

接下來要算的是針對這顆 MCU (MPC82G516)所需要計數的次數。如圖 4-1.2 所示，

使用 MPC82G516A 中可編程計數器陣列（Programmable Counter Array，簡稱為 PCA）

之功能，它提供了更多的除頻選擇而且比標準的 Timer/Counter 更能減少對 CPU 的負 擔。它的優點包括減少程式資料量和提高準確性。PCA 模式有 4 Channel 可選擇，如 果我們不做 Fosc/12 除頻會發生什麼事? 計算 說明如下:

這顆 MPC82G516 的振盪頻率是 22.1184MHz，如果不做除頻的動作來計算，

T=

22 . 1184 MHz

1

=0.0452μs (4-1)

得到(4-1)大 T 的時間，再代入先前小 t 所算的時間，

μs 0452 . 0

μs 95 .

13 =307 階 (4-2)

307 階已經超過 8bit 的 256 階的範圍，所以不做除頻的方式在本文中並不適用。

如果做除頻來做除 12 的動作來計算，12T=T·12=0.542μs，再帶入(4-2)所算的時間，

μs 045 . 0

μs 95 .

13 =25.73 次 (4-3)

得到(4-3)式子。8bit 調光共 256 階，256 階-26 次=230 階，也就是程式會從 230 階開 始向上遞增到 255 階做調光。

圖 4-1.2 PCA 模式方塊圖[7]

圖 4-1.3 是 PWM 程式流程圖，主程式的部分先設定頻率，先前算出從 230 階向上 遞增到 255 階，230 轉成 16 進制為 0xE6，程式中帶入 0xE6 值。接著設定 Duty 的時

32

間，啟動 PCA 的計數，並設定 Timer0 的計時，輸出到 MPC82G516 的 Pin1.2 腳位做 PWM 訊號輸出。

圖 4-1.3 PWM 程式流程圖

如圖 4-1.4 PWM 實測波形，頻率為 277.8Hz、時間為 3.6ms。

圖 4-1.4 PWM 量測波形

33

4-2 DALI 調光程式流程圖

DALI 調光需符合 DALI IEC-62386 通訊協定，一套完整 DALI 系統需要以下規範:

 曼特斯特解碼

 DALI 命令格式

 傳送、接收資料格式

 Information bit timing

 0~255 位階調光範圍

 裝置控制(個別、群組、廣播)

圖 4.1 DALI 調光程式流程圖，程式首先設定 Power on level 的亮度，接著等待 DALI 命令及資料，當接收到 2byte 的 DALI 命令時先去做判斷是否為正確的命令，如果是 的話分別去判斷是否為廣播、群組、個別命令，最後程式會依據使用者下的命令指示 來送出調光。

圖 4.1DALI 調光程式流程圖

34

第五章 綜合測詴

5-1 利用 DALI 系統進行 LED 燈光亮度控制

測詴系統架構圖，如圖 5-1.1 所示，使用 DALI Network 來進行對 LED Lamps 調光，

及設定場景的功能。在 DALI Network 上可燒入 DALI ID，並且可以設定廣播模式或 是對單一群組做下命令的動作。DALI Network 連結至 MCU-DALI 板，經由

MCU-DALI 電路中的微處理器對 LED Driver 下達 PWM 訊號，再透過 LED Driver 來 驅動 LED Lamps。實驗照片如圖 5-1.2 所示。

圖 5-1.1 測詴系統架構圖

圖 5-1.2 DALI 實作圖

35

由以上系統，我們調整額定功率 0%至 100%來進行亮度測詴。

圖 5-1.3(a)LED 燈功率為額定功率 10%亮度

圖 5-1.3(b)LED 燈功率為額定功率 50%亮度

圖 5-1.3(c)LED 燈功率為額定功率 100%(MAX)亮度 圖 5-1.3(a)(b)(c)不同功率之 LED 燈亮度照片

36

LED 燈功率為額定功率從 10%~100%對應的 Lux 值之曲線圖。

圖 5-1.4 額定功率 vs Lux 曲線圖

5-2 LED BALLAST 電路實作照片

 圖 5-2.1(a)是 LED PFC 電路板接上 LED DRIVER 電路照片。

 LED PFC 板電壓輸出範圍 24V~40V。

 圖 5-2.1(b)(c)為實作照片及接上 40V 燈具後的功率因數值。

圖 5-2.1(a)LED BALLAST 接 LED DRIVER 照片

37

圖 5-2.1(b) 40V 的 LED 燈具實作照片

圖 5-2.1(c) 40V 的 LED 燈具功率因數值

38

第六章 結論

本論文以數位可定址照明介面系統作為研究，也製作了 LED 調光型電子安定器，

包含了 LED 驅動電路及功率因數校正電路，並且針對功率因數校正進行研究與探 討，燈光控制端搭配 MCU 實現了一套 DALI 協定 LED 燈照明系統。由本實驗研究探 討及實驗結果可以得知以下優點:

1. 調光範圍可從 24V~40V 以上，可應用在更多的 LED 燈具上。

2. 燈管功率在 51W 時功率因數目前可達 0.952。

3. 透過 MCU 控制可減少類比電路的使用量，如:電燈開關，設定場景開關等。

4. 未來 DALI 介面系統使用在一般建築中可保留原有電燈開關設備，並可發展建築 管理系統(Building management system)。

39

參考文獻

[1] 王丞浩博士，綠色科技概論 [2] 維基百科

[3] AN966 APPLICATION NOTE L6561 ENHANCED TRANSITION MODE POWER FACTOR CORRECTOR

[4] 路秋生編著，高頻交流電子鎮流技術與典型應用電路，2007

[5] AN1757 APPLICATION NOTE，SWITCHING FROM THE L6561 TO THE L6562

[6] ZETEX ZXLD1362，1A LED Driver with internal switch [7] IEC62386-102，INTERNATIOAL STANDARD