高效的LED照明電路設(shè)計(jì)

　　在發(fā)達(dá)國(guó)家，效率推動(dòng)著創(chuàng)新。在追求提高效率的過(guò)程中，一個(gè)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(dǎo)體的LED形式（盡管有機(jī)LED和聚合物L(fēng)ED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(huì)以設(shè)計(jì)復(fù)雜性為代價(jià)。驅(qū)動(dòng)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(huì)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(huì)增加成本，但經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)后，可以產(chǎn)生一種以適當(dāng)價(jià)格提供巨大價(jià)值的LED照明解決方案。

　　LED照明的最終應(yīng)用幾乎是無(wú)限的，從低水平消費(fèi)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(yuǎn)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(shuō)服力的觀點(diǎn)，持續(xù)贏得決策者的支持。

　　開(kāi)發(fā)一套完整的LED照明解決方案涉及對(duì)多個(gè)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(jì)挑戰(zhàn)將會(huì)進(jìn)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(shì)，解決方案的每個(gè)階段都必須提供最佳效率。這與開(kāi)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(gè)影響LED照明的重要趨勢(shì)是向數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)變。通過(guò)在整體拓?fù)渲邪?u>數(shù)字電源，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更靈活的解決方案。如果在設(shè)計(jì)過(guò)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(jí)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(gè)DC電源運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立的LED照明電路是完全可行的，只需使用一個(gè)AC轉(zhuǎn)換級(jí)即可優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。在這種情況下，需要單獨(dú)考慮解決方案的其余部分，通過(guò)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(xiàng)重大的發(fā)展，因?yàn)樗軐⒄彰飨到y(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(gè)優(yōu)勢(shì)是其穩(wěn)健性：燈光可以變暗，也可以更頻繁地打開(kāi)/關(guān)閉，而不會(huì)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(shí)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(jì)挑戰(zhàn)，參考設(shè)計(jì)正在不斷涌現(xiàn)。TexasInstruments開(kāi)發(fā)的DC-DCLED驅(qū)動(dòng)器子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)雖然不能作為組裝好的PCB購(gòu)買，但已經(jīng)過(guò)全面的測(cè)試，并提供了所有說(shuō)明文檔（BOM、原理圖、PCBGerber）。圖1顯示了該參考設(shè)計(jì)的框圖。

　　TIDA-01096是TI的高能效、可調(diào)白光LEDDC-DC驅(qū)動(dòng)器，帶有智能藍(lán)牙連接參考設(shè)計(jì)，為工程師提供了一個(gè)用于開(kāi)發(fā)智能照明解決方案的完整硬件和軟件平臺(tái)。

　　通過(guò)在一個(gè)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(jí)元器件在廣泛的工作條件下實(shí)現(xiàn)98％的效率。

　　該參考設(shè)計(jì)旨在用作一個(gè)互聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)主要差異化特性是其連接性，它采用智能藍(lán)牙的形式。此功能完全集成到設(shè)計(jì)所選的MCU中，由TI另外開(kāi)發(fā)的軟件資源提供支持。該功能連同設(shè)計(jì)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(jì)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(shì)的晝夜節(jié)律。

　　對(duì)于LED產(chǎn)生不同級(jí)別輸出的功能，其使用需要一個(gè)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(dòng)器—參考設(shè)計(jì)中的主要元器件之一。當(dāng)與SimpleLinkCC2650多標(biāo)準(zhǔn)MCU結(jié)合使用時(shí)，它可為開(kāi)發(fā)從穩(wěn)壓DC電源運(yùn)行的智能LED照明系統(tǒng)提供完美的平臺(tái)。在設(shè)計(jì)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(dòng)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(kāi)發(fā)，但同樣適用于小型家電。除了為模擬和PWM控制信號(hào)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(jiǎn)化原理圖。

　　在參考設(shè)計(jì)中，使用了兩個(gè)器件來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED燈串。在此拓?fù)渲校梢酝ㄟ^(guò)使用外部振蕩器來(lái)超控每個(gè)器件的內(nèi)部振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)器件的同步。使用相同的時(shí)鐘源操作多個(gè)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(jì)的整體EMI。功能框圖如圖3所示。

　　同步是通過(guò)對(duì)RT/CLK引腳（引腳5）施加一個(gè)介于300kHz和2MHz之間的方波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)部MOSFET的源位于引腳10上，標(biāo)記為PH。它的上升沿與RT/CLK信號(hào)的下降沿同步。

　　在參考設(shè)計(jì)中，可通過(guò)三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光：通過(guò)改變IADJ引腳（引腳6）上的模擬輸入；采用數(shù)字方式對(duì)PDIM引腳（引腳4）施加PWM信號(hào)；或兩者之組合。所有控制信號(hào)都由SimpleLinkCC2650MCU產(chǎn)生（見(jiàn)圖4）。

　　由于模擬調(diào)光更有效，參考設(shè)計(jì)通過(guò)使用低通濾波器傳遞PWM信號(hào)來(lái)生成模擬信號(hào)，然后將其作為PWM信號(hào)的模擬平均值應(yīng)用于IADJ引腳。該參考設(shè)計(jì)還支持模擬/PWM調(diào)光控制組合，并支持同時(shí)使用模擬和PWM方法的無(wú)閃爍低LED電流調(diào)光。

　　SimpleLinkCC2650無(wú)線MCU與LED驅(qū)動(dòng)器緊密協(xié)作，提供了兩個(gè)關(guān)鍵功能：驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，以及以無(wú)線方式影響這些信號(hào)的功能。這樣，便可以從智能手機(jī)上運(yùn)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(kāi)、調(diào)亮或調(diào)暗—可能使用語(yǔ)音指令。

　　當(dāng)使用互聯(lián)系統(tǒng)時(shí)，這種可能性僅受限于想象力。由于SimpleLinkCC2650是一種多標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線MCU，因此可以支持藍(lán)牙、ZigBee和6LowPAN。強(qiáng)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(shí)，藍(lán)牙和ZigBee堆棧由TI免費(fèi)提供）同時(shí)運(yùn)行的用戶應(yīng)用程序。該器件的射頻部分還集成了一個(gè)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(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　除了LED驅(qū)動(dòng)器和無(wú)線MCU之外，參考設(shè)計(jì)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(xué)傳感器。在參考設(shè)計(jì)中包含這種傳感器支持以下使用實(shí)例：調(diào)節(jié)光輸出以提供適合人類視覺(jué)的環(huán)境。設(shè)計(jì)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(duì)的TIDA-01096來(lái)配置基于參考設(shè)計(jì)的LED照明解決方案的硬件。該項(xiàng)目的固件是由TI作為代碼調(diào)試器項(xiàng)目開(kāi)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(duì)家庭、辦公室、工廠、交通樞紐和公共場(chǎng)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(shì)。

　　半導(dǎo)體制造商對(duì)此進(jìn)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(jì)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(wú)線通信的形式添加連接功能的做法日益流行。

　　開(kāi)發(fā)一個(gè)包括無(wú)線連接的全功能、可調(diào)LED照明解決方案涉及兩個(gè)可能難以應(yīng)對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但隨著相關(guān)開(kāi)發(fā)平臺(tái)和參考設(shè)計(jì)（如本文中所介紹）的出現(xiàn)，現(xiàn)在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)比以往更容易。