【導讀】在發(fā)達國家,效率推動著創(chuàng)新。在追求提高效率的過程中,一個正在發(fā)生重大變化的領(lǐng)域是照明。固態(tài)照明主要以基于半導體的 LED 形式(盡管有機 LED 和聚合物 LED 正在不斷涌現(xiàn)),繼續(xù)取代傳統(tǒng)和更節(jié)能的照明形式,如白熾燈、緊湊型熒光燈和氣體放電燈。
在發(fā)達國家,效率推動著創(chuàng)新。在追求提高效率的過程中,一個正在發(fā)生重大變化的領(lǐng)域是照明。固態(tài)照明主要以基于半導體的 LED 形式(盡管有機 LED 和聚合物 LED 正在不斷涌現(xiàn)),繼續(xù)取代傳統(tǒng)和更節(jié)能的照明形式,如白熾燈、緊湊型熒光燈和氣體放電燈。
雖然 LED 照明提供了固有的節(jié)能效果,但它可能會以設(shè)計復(fù)雜性為代價。驅(qū)動 LED 燈所需的控制電路充其量只是一種 AC-DC 轉(zhuǎn)換器,但通常會包括某種程度的智能控制。雖然這種增加的復(fù)雜性可能會增加成本,但經(jīng)過精心設(shè)計后,可以產(chǎn)生一種以適當價格提供巨大價值的 LED 照明解決方案。
LED 照明的最終應(yīng)用幾乎是無限的,從低水平消費照明到高棚工業(yè)、廚柜,再到街道照明。包括智能調(diào)光、連接性和遠程管理等特性的前景使得向 LED 照明的轉(zhuǎn)變成為一種非常有說服力的觀點,持續(xù)贏得決策者的支持。
開發(fā)一套完整的 LED 照明解決方案涉及對多個功能的集成,其中包括帶功率因數(shù)校正 (PFC) 的 AC 整流、DC-DC 轉(zhuǎn)換和 LED 控制。如果將連接性添加到此范圍內(nèi),以提供更具前瞻性的解決方案,那么設(shè)計挑戰(zhàn)將會進一步增加。
雖然 LED 本質(zhì)上比其他形式的照明更高效,但為了保持這一優(yōu)勢,解決方案的每個階段都必須提供最佳效率。這與開發(fā)傳統(tǒng)照明解決方案有很大不同,但卻是必要的。另一個影響 LED 照明的重要趨勢是向數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)變。通過在整體拓撲中包含數(shù)字電源,可以實現(xiàn)更高效、更靈活的解決方案。如果在設(shè)計過程中采用全數(shù)字化方法,那么可以將大量功能集成到較少數(shù)量的器件中。微控制器非常適合提供這種級別的功能和靈活性。
雖然 AC 轉(zhuǎn)換是解決方案的主要部分,但從單個 DC 電源運行多個獨立的 LED 照明電路是完全可行的,只需使用一個 AC 轉(zhuǎn)換級即可優(yōu)化整體設(shè)計。在這種情況下,需要單獨考慮解決方案的其余部分,通過增值特性為成本優(yōu)化創(chuàng)造更多的可能性。
為照明裝置添加控制和連接性是一項重大的發(fā)展,因為它能將照明系統(tǒng)集成到建筑管理系統(tǒng) (BMS) 中,或作為智能家居的一部分。LED 照明的一個優(yōu)勢是其穩(wěn)健性:燈光可以變暗,也可以更頻繁地打開/關(guān)閉,而不會影響其使用壽命或產(chǎn)生浪涌電流。LED 燈還提供了更大的位置靈活性,從而實現(xiàn)更多的分布式安裝和更廣泛的工作條件。所有這些特性都增加了 LED 照明的吸引力,但需要更高的控制水平。
為了解決這一設(shè)計挑戰(zhàn),參考設(shè)計正在不斷涌現(xiàn)。Texas Instruments 開發(fā)的 DC-DC LED 驅(qū)動器子系統(tǒng)參考設(shè)計雖然不能作為組裝好的 PCB 購買,但已經(jīng)過全面的測試,并提供了所有說明文檔(BOM、原理圖、PCB Gerber)。圖 1 顯示了該參考設(shè)計的框圖。
圖 1: TIDA-01096 參考設(shè)計框圖。
TIDA-01096 是 TI 的高能效、可調(diào)白光 LED DC-DC 驅(qū)動器,帶有智能藍牙連接參考設(shè)計,為工程師提供了一個用于開發(fā)智能照明解決方案的完整硬件和軟件平臺。
通過在一個燈具中結(jié)合使用暖白光和冷白光 LED 燈串,可以模擬住宅和零售環(huán)境中室內(nèi)照明的日光條件。TIDA-01096 專用于這一應(yīng)用領(lǐng)域,并使用若干高級元器件在廣泛的工作條件下實現(xiàn) 98% 的效率。
該參考設(shè)計旨在用作一個互聯(lián) LED 驅(qū)動器,其中一個主要差異化特性是其連接性,它采用智能藍牙的形式。此功能完全集成到設(shè)計所選的 MCU 中,由 TI 另外開發(fā)的軟件資源提供支持。該功能連同設(shè)計中的其他主要元器件提供了一系列“智能”特性,如調(diào)光、色溫調(diào)節(jié)和日光收集。由于該設(shè)計旨在控制 LED 燈串以模擬日光,因此也可以用于創(chuàng)造經(jīng)證明具有健康保健優(yōu)勢的晝夜節(jié)律。
對于 LED 產(chǎn)生不同級別輸出的功能,其使用需要一個集成式解決方案。其中一種產(chǎn)品是具有集成模擬電流調(diào)節(jié)的 TPS92513/HV 1.5 A 降壓型 LED 驅(qū)動器 — 參考設(shè)計中的主要元器件之一。當與 SimpleLink CC2650 多標準 MCU 結(jié)合使用時,它可為開發(fā)從穩(wěn)壓 DC 電源運行的智能 LED 照明系統(tǒng)提供完美的平臺。在設(shè)計中加入其他元器件后就形成了完整的原理圖,如下所述。
TPS92513/HV LED 驅(qū)動器專為一系列高功率照明應(yīng)用(包括街燈、應(yīng)急照明以及工業(yè)和零售照明)而開發(fā),但同樣適用于小型家電。除了為模擬和 PWM 控制信號提供輸入外,它還具有集成的 N 通道高壓側(cè) MOSFET。圖 2 顯示了如何使用該器件的簡化原理圖。
圖 2: TPS92513/HV LED 驅(qū)動器典型應(yīng)用的簡化原理圖。
在參考設(shè)計中,使用了兩個器件來驅(qū)動兩個 LED 燈串。在此拓撲中,可以通過使用外部振蕩器來超控每個器件的內(nèi)部振蕩器,從而實現(xiàn)器件的同步。使用相同的時鐘源操作多個器件可避免在不同燈串上的 LED 之間產(chǎn)生不良影響(如頻率跳變),還可幫助最大限度地降低設(shè)計的整體 EMI。功能框圖如圖 3 所示。
圖 3: TPS92513/HV LED 驅(qū)動器的功能框圖。
同步是通過對 RT/CLK 引腳(引腳 5)施加一個介于 300 kHz 和 2 MHz 之間的方波來實現(xiàn)的。內(nèi)部 MOSFET 的源位于引腳 10 上,標記為 PH。它的上升沿與 RT/CLK 信號的下降沿同步。
在參考設(shè)計中,可通過三種方式來實現(xiàn)調(diào)光:通過改變 IADJ 引腳(引腳 6)上的模擬輸入;采用數(shù)字方式對 PDIM 引腳(引腳 4)施加 PWM 信號;或兩者之組合。所有控制信號都由 SimpleLink CC2650 MCU 產(chǎn)生(見圖 4)。
圖 4: TI 的 SimpleLink CC2650 無線 MCU 的功能框圖。
由于模擬調(diào)光更有效,參考設(shè)計通過使用低通濾波器傳遞 PWM 信號來生成模擬信號,然后將其作為 PWM 信號的模擬平均值應(yīng)用于 IADJ 引腳。該參考設(shè)計還支持模擬/PWM 調(diào)光控制組合,并支持同時使用模擬和 PWM 方法的無閃爍低 LED 電流調(diào)光。
SimpleLink CC2650 無線 MCU 與 LED 驅(qū)動器緊密協(xié)作,提供了兩個關(guān)鍵功能:驅(qū)動器的控制信號,以及以無線方式影響這些信號的功能。這樣,便可以從智能手機上運行的應(yīng)用程序中調(diào)節(jié)光輸出或色溫,或者允許 BMS 將燈關(guān)閉、打開、調(diào)亮或調(diào)暗 — 可能使用語音指令。
當使用互聯(lián)系統(tǒng)時,這種可能性僅受限于想象力。由于 SimpleLink CC2650 是一種多標準的無線 MCU,因此可以支持藍牙、ZigBee 和 6LowPAN。強大且高效的 ARM® Cortex®-M3 內(nèi)核可以容納與高層所選協(xié)議棧(在使用 CC2650 時,藍牙和 ZigBee 堆棧由 TI 免費提供)同時運行的用戶應(yīng)用程序。該器件的射頻部分還集成了一個用于處理大部分堆棧的 ARM Cortex-M0 內(nèi)核,以及基帶和模擬前端之間的接口。它使用 API 連接到主 CPU,旨在進一步簡化設(shè)計。
除了 LED 驅(qū)動器和無線 MCU 之外,參考設(shè)計還包括 OPT3001 數(shù)字環(huán)境光傳感器,這是一種與人眼的光譜響應(yīng)高度匹配的光學傳感器。在參考設(shè)計中包含這種傳感器支持以下使用實例:調(diào)節(jié)光輸出以提供適合人類視覺的環(huán)境。設(shè)計中包含與 LED 散熱器連接的 LMT84 模擬輸出溫度傳感器,可避免熱擊穿。
圖 5 顯示了如何使用與 SimpleLink CC2650 LaunchPad 配對的 TIDA-01096 來配置基于參考設(shè)計的 LED 照明解決方案的硬件。該項目的固件是由 TI 作為代碼調(diào)試器項目開發(fā)的,可根據(jù)要求提供。
圖 5: 使用 TIDA-01096 參考設(shè)計的建議硬件配置。
總結(jié)
固態(tài)照明有可能徹底改變我們對家庭、辦公室、工廠、交通樞紐和公共場所的照明方式。與現(xiàn)有的照明技術(shù)相比,它提供了顯著的成本優(yōu)勢。
半導體制造商對此進行了大量投資,現(xiàn)在有許多產(chǎn)品可以幫助工程師設(shè)計優(yōu)化的解決方案,以最大限度地利用 LED 照明的潛力。為此,以有線或無線通信的形式添加連接功能的做法日益流行。
開發(fā)一個包括無線連接的全功能、可調(diào) LED 照明解決方案涉及兩個可能難以應(yīng)對的設(shè)計挑戰(zhàn),但隨著相關(guān)開發(fā)平臺和參考設(shè)計(如本文中所介紹)的出現(xiàn),現(xiàn)在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)比以往更容易。
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