基于PWM的LED照明功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 發(fā)光二極管(LED)已迅速成為許多照明應(yīng)用的首選。 LED制造商對(duì)效率和亮度的改進(jìn)意味著從汽車前照燈到倉庫和工廠照明等應(yīng)用幾乎沒有其他同等選擇。 LED相對(duì)于其他選項(xiàng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其可控性，但這確實(shí)需要使用電子電路來充分利用該技術(shù)，而不會(huì)引入諸如閃爍或過熱等問題。

不僅僅是LED的有效控制是必要的，照明系統(tǒng)需要能夠自動(dòng)響應(yīng)環(huán)境光等條件的變化，以及可能通過網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)出信號(hào)的要求變化。

傳感器靠近照明組件可以確定最合適的人工照明水平，以避免浪費(fèi)電力的情況。在智能溫室，高棚照明和街道照明等應(yīng)用中，LED可以在環(huán)境條件有利的情況下完全關(guān)閉，并隨著黑暗的增加逐漸上線。與此同時(shí)，遠(yuǎn)離窗戶的倉庫角落等較暗的區(qū)域可以安全，高效地點(diǎn)亮。

原則上，LED提供的亮度易于控制。 LED的光輸出是正向電流的近似線性函數(shù)。為了提供一致的照明，LED需要恒定的驅(qū)動(dòng)電流。所需的電流量不僅取決于LED，還取決于環(huán)境因素。通常，亮度 - 電流曲線增加。然而，電流的增加導(dǎo)致LED結(jié)溫升高。結(jié)溫過高會(huì)導(dǎo)致光輸出降低，整體效率降低。

提供給LED的電流并不總是保持在恒定水平。相反，高頻開關(guān)用于將平均電流脈沖輸出到接近恒定的水平。大多數(shù)LED照明設(shè)計(jì)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來提供電流控制。

基于PWM的LED功率控制在目標(biāo)亮度級(jí)別的常見配置是計(jì)算固定的關(guān)閉時(shí)間。然后，電路根據(jù)電流測(cè)量值改變施加功率以適應(yīng)條件的時(shí)間。固定關(guān)斷時(shí)間方法的優(yōu)點(diǎn)是紋波電流和平均電流水平僅取決于關(guān)斷時(shí)間和LED正向電壓。在固定的關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，正向電壓取決于串中LED的溫度和數(shù)量。

軟件算法可以通過實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓補(bǔ)償來補(bǔ)償這些影響。該算法監(jiān)控LED上的電壓降，并調(diào)整關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)度。然后通過調(diào)節(jié)所提供的峰值電流來控制平均LED電流，該峰值電流是在LED燈供電的MOSFET開啟時(shí)測(cè)量的。

STMicroelectronics的STLUX系列照明控制器提供驅(qū)動(dòng)方式多達(dá)六個(gè)LED串，借助于改進(jìn)的降壓拓?fù)涔β兽D(zhuǎn)換器獨(dú)立使用固定關(guān)斷時(shí)間控制。 STLUX系列照明控制器采用的控制策略的核心是狀態(tài)機(jī)，事件驅(qū)動(dòng)(SMED)技術(shù)。這使得控制器可以操作多個(gè)LED串，每個(gè)LED都有自己的PWM發(fā)生器，并且無需軟件干預(yù)即可獨(dú)立響應(yīng)外部和內(nèi)部事件。

內(nèi)置微控制器配置和編程SMED單元，如圖1所示。該微控制器基于ST8微架構(gòu)，該架構(gòu)基于CISC設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高代碼密度，并提供低功耗優(yōu)化。

圖1：SMED單元與管理程序核心和I/O之間的關(guān)系。

STLUX交換機(jī)中的六個(gè)SMED中的每一個(gè)在四個(gè)狀態(tài)之間，在需要凍結(jié)PWM時(shí)鐘直到滿足退出條件的情況下增加保持狀態(tài)。一個(gè)應(yīng)用是調(diào)光。當(dāng)監(jiān)控控制決定啟動(dòng)調(diào)光占空比的關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，SMED進(jìn)入保持狀態(tài)。當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)定時(shí)器達(dá)到其極限時(shí)，SMED切換回正常操作以進(jìn)行常規(guī)，精確的PWM電壓控制。

運(yùn)動(dòng)可以在四種狀態(tài)中的任何一種之間，如圖2所示。進(jìn)入SMED控制狀態(tài)機(jī)何時(shí)以及如何轉(zhuǎn)換到新的目標(biāo)狀態(tài)，并且SMED可以鏈接以構(gòu)建更復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，其中不需要完全獨(dú)立控制每個(gè)字符串。

圖2：SMED單元可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

使用96 MHz的工作頻率，PWM的最大分辨率為1.3 ns。 SMED架構(gòu)允許控制器在10 ns內(nèi)對(duì)事件做出反應(yīng)。

為了支持固定關(guān)斷時(shí)間配置，基本SMED提供了足夠的狀態(tài)來處理核心PWM周期以及故障響應(yīng)和恢復(fù)。初始化后，SMED切換到S0，主要用于控制關(guān)閉時(shí)間。在此狀態(tài)下，輸出PWM線設(shè)置為0 V.定時(shí)器用于確定從S0退出的時(shí)間。為了支持調(diào)光，S0可以進(jìn)入保持狀態(tài)以保持輸出為0 V.如果不需要調(diào)光控制，則狀態(tài)移至S1。

S1用作電流斜坡和故障檢測(cè)狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換到S1期間，PWM輸出線設(shè)置為高。這會(huì)打開輸出功率MOSFET，并允許電流流入LED和檢測(cè)電阻。在正常情況下，在SMED處于S1期間，電流不應(yīng)達(dá)到峰值安全限值。在固定關(guān)閉時(shí)間算法中，S1通常被編程為在PWM周期的接通時(shí)間的三分之一過去之后退出：在S2期間處理接通時(shí)間的剩余部分。但是，如果非常早地達(dá)到電流限制，這在正常條件下不應(yīng)發(fā)生，則表示發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)強(qiáng)制SMED進(jìn)入S3。

S2是電流限制狀態(tài)，用于在正常條件下查找峰值電流水平。電流峰值由STLUX DAC上配置的電壓決定。當(dāng)電流峰值到達(dá)時(shí)，SMED循環(huán)回到S0狀態(tài)，PWM輸出在下一個(gè)固定關(guān)閉時(shí)間周期開始時(shí)切換回0 V.

S3充當(dāng)過流狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換期間，PWM輸出關(guān)閉以保護(hù)下游電路，并且定時(shí)器設(shè)置為最大值5μs。當(dāng)定時(shí)器到期時(shí)，SMED進(jìn)入S0進(jìn)行新的循環(huán)，但也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部MCU的中斷，以便軟件可以監(jiān)控未來的循環(huán)，必要時(shí)停止SMED轉(zhuǎn)換，并生成用戶警報(bào)。

當(dāng)前峰值電平由比較器檢測(cè)，該比較器饋入SMED。該比較器接收電流輸入檢測(cè)信號(hào)并將其與內(nèi)部DAC值進(jìn)行比較。當(dāng)比較器引腳上的電壓高于DAC值時(shí)，比較器輸出引腳的輸出變?yōu)楦唠娖?。在其他時(shí)候，輸出保持低電平。

可以使用第二層PWM控制來處理調(diào)光。但是，可以使用軟件來處理循環(huán)，因?yàn)樗婕氨犬?dāng)前管理PWM算法所需的控制回路明顯更慢的控制回路。為了使顯著的閃爍最小化，200Hz的切換速率就足夠了，將每秒切換為5ms周期。允許在每個(gè)插槽內(nèi)運(yùn)行PWM周期的時(shí)間長(zhǎng)度決定了LED串的整體亮度。

對(duì)于獨(dú)立的LED串，調(diào)光周期可以在相位上偏移。這有助于平衡功耗，并進(jìn)一步有助于最小化整個(gè)照明陣列的明顯閃爍。通過這種相移，LED串在不同時(shí)間接通和斷開。為了驅(qū)動(dòng)調(diào)光控制，STMR內(nèi)部定時(shí)器可用于定期產(chǎn)生中斷。該算法通過其LED串列表，計(jì)算所需亮度，激活或停用SMED單元，然后設(shè)置定時(shí)器以等待下一個(gè)調(diào)光事件。在非常低的占空比下，可以使用WFI指令使內(nèi)部MCU內(nèi)核進(jìn)入休眠狀態(tài)。這會(huì)阻止內(nèi)核運(yùn)行，直到收到中斷為止。

雖然照明單元可能設(shè)計(jì)為獨(dú)立運(yùn)行，但智能照明的好處還是支持遠(yuǎn)程或網(wǎng)絡(luò)控制。照明鎮(zhèn)流器和控制器網(wǎng)絡(luò)允許高度靈活性。例如，當(dāng)辦公室或倉庫環(huán)境中的分區(qū)發(fā)生變化時(shí)，控制器可以輕松地重新編程，將照明鎮(zhèn)流器分成不同的組。

廣泛接受的控制照明系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字可尋址照明接口( DALI)。 DALI的主要優(yōu)勢(shì)包括簡(jiǎn)單的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及單獨(dú)或作為組的一部分尋址照明單元的能力。因此，DALI適用于較舊的1 - 10伏模擬接口和復(fù)雜的基于網(wǎng)絡(luò)的照明控制系統(tǒng)之間的利基。 DALI的使用并不排除集成到網(wǎng)絡(luò)中。然而，大型系統(tǒng)通常通過將燈具組合在DALI鏈接組中來構(gòu)建，這些組通過IoT網(wǎng)絡(luò)(例如6LowPAN，以太網(wǎng)或線程)以宏觀規(guī)?；ミB。

通常，DALI組將包括一個(gè)DALI控制單元，該控制單元鏈接到本地控制面板和各種能夠檢測(cè)存在和環(huán)境光水平的傳感器。然后，DALI控制單元使用IoT類型協(xié)議與建筑物管理系統(tǒng)通信?？梢允褂眯切位虼型?fù)溥B接DALI單元。串行拓?fù)湓谛枰采w長(zhǎng)線性距離的系統(tǒng)(例如街道照明)以及諸如倉庫的安裝方面具有優(yōu)勢(shì)。在串行連接方案中，每個(gè)DALI單元通過串行鏈路連接到其最近的鄰居。命令沿著串行總線傳遞，以便每個(gè)DALI單元可以通過廣播命令尋址。

最大電纜長(zhǎng)度由沿其長(zhǎng)度的電壓降決定，該標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)中定義為最大2伏。對(duì)于橫截面為1.5 mm 2 的電纜，這相當(dāng)于約300 m。 DALI控制電纜可與主電源電纜并列，因?yàn)樵摲桨肝幢环诸悶榉蛛x的超低電壓(SELV)。

DALI協(xié)議控制從關(guān)閉到最大的254步的照明。預(yù)計(jì)照明單元遵循對(duì)數(shù)亮度曲線。為了支持照明級(jí)別的逐漸變化，該協(xié)議允許控制器以秒為單位設(shè)置淡入淡出時(shí)間。然后，控制器可以發(fā)出命令，使各個(gè)鎮(zhèn)流器逐步增加或減少照明，直到達(dá)到設(shè)定點(diǎn)。為了便于維護(hù)，鎮(zhèn)流器可以使用狀態(tài)信息向控制器報(bào)告缺少燈泡等問題。

在光線收集場(chǎng)景中，控制器可以使用自己的傳感器完全控制照明，以確定最佳狀態(tài)。每個(gè)鎮(zhèn)流器的亮度等級(jí)，在這種情況下由基于STLUX的模塊操作，發(fā)送適當(dāng)?shù)纳龎夯蚪祲好睢；蛘?，STLUX內(nèi)的MCU可以獲得更大的自主權(quán)。在這種情況下，DALI命令設(shè)置最佳照明級(jí)別，但本地STLUX控制器使用本地連接的環(huán)境光傳感器來確定所需的調(diào)光級(jí)別。一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制算法可以將調(diào)光水平調(diào)整到本地傳感器拾取的感應(yīng)光水平。

由于8個(gè)ADC和4個(gè)比較器通道可用于SMED的電壓和電流測(cè)量單元，傳感器可以使用STLUX的內(nèi)置I 2 C接口連接。具有I 2 C接口的環(huán)境光傳感器包括德州儀器的OPT3001和Vishay半導(dǎo)體的VML6030。

其他傳感器可以連接到I 2 C接口或由控制器用來確定何時(shí)發(fā)送DALI命令以支持更高級(jí)的控制策略。例如，在街道或停車場(chǎng)照明網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)動(dòng)傳感器可用于在汽車或人員經(jīng)過之前增加照明，然后再設(shè)置為最小的不活動(dòng)設(shè)置。

結(jié)論

謝謝STLUX系列設(shè)備支持基于網(wǎng)絡(luò)的控制，連接傳感器的能力以及使用先進(jìn)的狀態(tài)機(jī)策略來管理LED輸出，為先進(jìn)的照明系統(tǒng)提供了非常合適的基礎(chǔ)。