DC-DC LED驱动器子系统参考设计

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发表于 2018-6-27 14:00:44 | 显示全部楼层 |阅读模式

在发达国家,效率推动着创新。在追求提高效率的过程中,一个正在发生重大变化的领域是。固态主要以基于半导体的 LED 形式(尽管有机 LED 和聚合物 LED 正在不断涌现),继续取代传统和更节能的形式,如白炽灯、紧凑型荧光灯和气体放电灯。

虽然 LED 提供了固有的节能效果,但它可能会以设计杂性为代价。驱动 LED 灯所需的控电路充其量只是一种 AC-DC 转换器,但通常会包括某种程度的智能控。虽然这种增加的杂性可能会增加成本,但经过精心设计后,可以产生一种以适当价格提供巨大价值的 LED 解决方案。

LED 的最终应用几乎是无限的,从低水平消费到高棚工业、厨柜,再到街道。包括智能调光、连性和远程管理等特性的前景使得向 LED 的转变成为一种非常有说服力的观点,持续赢得决策者的支持。

开发一套完整的 LED 解决方案涉及对多个功能的集成,其中包括带功率因数校正 (PFC) 的 AC 整流、DC-DC 转换和 LED 控。如果将连性添加到此范围内,以提供更具前瞻性的解决方案,那么设计挑战将会进一步增加。

虽然 LED 本质上比其他形式的更高效,但为了保持这一优势,解决方案的每个阶段都必须提供最佳效率。这与开发传统解决方案有很大不同,但却是必要的。另一个影响 LED 的重要趋势是向数字控电源转换的转变。通过在整体拓扑中包含数字电源,可以实现更高效、更灵活的解决方案。如果在设计过程中采用全数字化方法,那么可以将大量功能集成到较少数量的器件中。微控器非常适合提供这种级别的功能和灵活性。

虽然 AC 转换是解决方案的主要部分,但从单个 DC 电源运行多个独立的 LED 电路是完全可行的,只需使用一个 AC 转换级即可优化整体设计。在这种情况下,需要单独考虑解决方案的其余部分,通过增值特性为成本优化创造更多的可能性。

为装置添加控和连性是一项重大的发展,因为它能将系统集成到建筑管理系统 (BMS) 中,或作为智能家居的一部分。LED 的一个优势是其稳健性:灯光可以变暗,也可以更频繁地打开/关闭,而不会影响其使用寿命或产生浪涌电流。LED 灯还提供了更大的位置灵活性,从而实现更多的分布式安装和更广泛的工作条件。所有这些特性都增加了 LED 的吸引力,但需要更高的控水平。

为了解决这一设计挑战,参考设计正在不断涌现。Texas Instruments 开发的 DC-DC LED 驱动器子系统参考设计虽然不能作为组装好的 PCB 购买,但已经过全面的测试,并提供了所有说文档(BOM、原理图、PCB Gerber)。图 1 显示了该参考设计的框图。

Texas Instruments TIDA-01096 参考设计框图

图 1: TIDA-01096 参考设计框图。

TIDA-01096 是 TI 的高能效、可调白光 LED DC-DC 驱动器,带有智能蓝牙连参考设计,为工程师提供了一个用于开发智能解决方案的完整硬件和软件平台。

通过在一个灯具中结合使用暖白光和冷白光 LED 灯串,可以模拟住宅和零售环境中室内的日光条件。TIDA-01096 专用于这一应用领域,并使用若干高级元器件在广泛的工作条件下实现 98% 的效率。

该参考设计旨在用作一个互联 LED 驱动器,其中一个主要差异化特性是其连性,它采用智能蓝牙的形式。此功能完全集成到设计所选的 MCU 中,由 TI 另外开发的软件资源提供支持。该功能连同设计中的其他主要元器件提供了一系列“智能”特性,如调光、色温调节和日光收集。由于该设计旨在控 LED 灯串以模拟日光,因此也可以用于创造经证具有健康保健优势的昼夜节律。

对于 LED 产生不同级别输出的功能,其使用需要一个集成式解决方案。其中一种产品是具有集成模拟电流调节的 TPS92513/HV 1.5 A 降压型 LED 驱动器 — 参考设计中的主要元器件之一。当与 SimpleLink CC2650 多标准 MCU 结合使用时,它可为开发从稳压 DC 电源运行的智能 LED 系统提供完美的平台。在设计中加入其他元器件后就形成了完整的原理图,如下所述。

TPS92513/HV LED 驱动器专为一系列高功率应用(包括街灯、应急以及工业和零售)而开发,但同样适用于小型家电。除了为模拟和 PWM 控信号提供输入外,它还具有集成的 N 通道高压侧 MOSFET。图 2 显示了如何使用该器件的简化原理图。

Texas Instruments TPS92513/HV LED 驱动器典型应用的简化原理图

图 2: TPS92513/HV LED 驱动器典型应用的简化原理图。

在参考设计中,使用了两个器件来驱动两个 LED 灯串。在此拓扑中,可以通过使用外部振荡器来超控每个器件的内部振荡器,从而实现器件的同步。使用相同的时钟源操作多个器件可避免在不同灯串上的 LED 之间产生不良影响(如频率跳变),还可帮助最大限度地降低设计的整体 EMI。功能框图如图 3 所示。

Texas Instruments TPS92513/HV LED 驱动器的功能框图

图 3: TPS92513/HV LED 驱动器的功能框图。

同步是通过对 RT/CLK 引脚(引脚 5)施加一个介于 300 kHz 和 2 MHz 之间的方波来实现的。内部 MOSFET 的源位于引脚 10 上,标记为 PH。它的上升沿与 RT/CLK 信号的下降沿同步。

在参考设计中,可通过三种方式来实现调光:通过改变 IADJ 引脚(引脚 6)上的模拟输入;采用数字方式对 PDIM 引脚(引脚 4)施加 PWM 信号;或两者之组合。所有控信号都由 SimpleLink CC2650 MCU 产生(见图 4)。

Texas Instruments SimpleLink CC2650 无线 MCU 的功能框图

图 4: TI 的 SimpleLink CC2650 无线 MCU 的功能框图。

由于模拟调光更有效,参考设计通过使用低通滤波器传递 PWM 信号来生成模拟信号,然后将其作为 PWM 信号的模拟平均值应用于 IADJ 引脚。该参考设计还支持模拟/PWM 调光控组合,并支持同时使用模拟和 PWM 方法的无闪烁低 LED 电流调光。

SimpleLink CC2650 无线 MCU 与 LED 驱动器紧密协作,提供了两个关键功能:驱动器的控信号,以及以无线方式影响这些信号的功能。这样,便可以从智能手机上运行的应用程序中调节光输出或色温,或者允许 BMS 将灯关闭、打开、调亮或调暗 — 可能使用语音指令。

当使用互联系统时,这种可能性仅受限于想象力。由于 SimpleLink CC2650 是一种多标准的无线 MCU,因此可以支持蓝牙、ZigBee 和 6LowPAN。强大且高效的 ARM Cortex-M3 内核可以容纳与高层所选协议栈(在使用 CC2650 时,蓝牙和 ZigBee 堆栈由 TI 免费提供)同时运行的用户应用程序。该器件的射频部分还集成了一个用于处理大部分堆栈的 ARM Cortex-M0 内核,以及基带和模拟前端之间的口。它使用 API 连到主 CPU,旨在进一步简化设计。

除了 LED 驱动器和无线 MCU 之外,参考设计还包括 OPT3001 数字环境光传感器,这是一种与人眼的光谱响应高度匹配的光学传感器。在参考设计中包含这种传感器支持以下使用实例:调节光输出以提供适合人类视觉的环境。设计中包含与 LED 散热器连的 LMT84 模拟输出温度传感器,可避免热击穿。

图 5 显示了如何使用与 SimpleLink CC2650 LaunchPad 配对的 TIDA-01096 来配置基于参考设计的 LED 解决方案的硬件。该项目的固件是由 TI 作为代码调试器项目开发的,可根据要求提供。

使用 TIDA-01096 参考设计的建议硬件配置

图 5: 使用 TIDA-01096 参考设计的建议硬件配置。

总结

固态有可能彻底改变我们对家庭、办公室、工厂、交通枢纽和公共场所的方式。与现有的技术相比,它提供了显著的成本优势。

半导体造商对此进行了大量投资,现在有许多产品可以帮助工程师设计优化的解决方案,以最大限度地利用 LED 的潜力。为此,以有线或无线通信的形式添加连功能的做法日益流行。

开发一个包括无线连的全功能、可调 LED 解决方案涉及两个可能难以应对的设计挑战,但随着相关开发平台和参考设计(如本文中所介绍)的出现,现在应对这些挑战比以往更容易。

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