高效的LED照明電路設(shè)計

　　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)。TexasInstruments開發(fā)的DC-DCLED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、PCBGerber）。圖1顯示了該參考設(shè)計的框圖。

　　TIDA-01096是TI的高能效、可調(diào)白光LEDDC-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/HV1.5A降壓型LED驅(qū)動器—參考設(shè)計中的主要元器件之一。當與SimpleLinkCC2650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/HVLED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。

　　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。

　　同步是通過對RT/CLK引腳（引腳5）施加一個介于300kHz和2MHz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SimpleLinkCC2650MCU產(chǎn)生（見圖4）。

　　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。

　　SimpleLinkCC2650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SimpleLinkCC2650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ARMCortex-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SimpleLinkCC2650LaunchPad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。

　　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。