意法半導(dǎo)體(ST)擁有豐富的普通LED照明元器件和開(kāi)發(fā)工具: 架構(gòu)、產(chǎn)品、評(píng)測(cè)工具

 摘要

隨著普通LED照明市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，客戶(hù)對(duì)新的智能功能、更高的能源效率和節(jié)省資金的要求也隨著提高。本文圍繞LED家用照明、商用照明和路燈，介紹意法半導(dǎo)體的寬產(chǎn)品線(xiàn)如何滿(mǎn)足燈具市場(chǎng)的需求，從系統(tǒng)角度介紹意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品線(xiàn)，討論主要的系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)產(chǎn)品和評(píng)測(cè)工具。

前言

LED普通照明應(yīng)用市場(chǎng)分析(IHS 2016年3月期的“世界LED照明電源市場(chǎng)”報(bào)告)預(yù)測(cè)，2015-2020年， LED家用照明市場(chǎng)復(fù)合年均增長(zhǎng)率為25%，商用照明市場(chǎng)(商店和寫(xiě)字樓)29%，路燈16.9%。有兩個(gè)主要因素拉動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)。第一個(gè)因素，很多大國(guó)開(kāi)始重視能源問(wèn)題，并發(fā)布了采用高能效光源(LED)淘汰白熾燈的節(jié)能法規(guī);第二個(gè)因素，在新興經(jīng)濟(jì)體國(guó)家，隨著城鎮(zhèn)化步伐加快，城鎮(zhèn)人口急劇增長(zhǎng)，這迫使當(dāng)?shù)卣茝V高能效光源，升級(jí)改造城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施。在家用、商用和街道LED照明市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體的寬產(chǎn)品線(xiàn)策略十分切合該市場(chǎng)報(bào)告的分析預(yù)測(cè)。

意法半導(dǎo)體產(chǎn)品

意法半導(dǎo)體LED產(chǎn)品組合很寬，包括專(zhuān)用產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，覆蓋整個(gè)LED普通照明應(yīng)用。

意法半導(dǎo)體的產(chǎn)品、平臺(tái)和評(píng)測(cè)板分為家用、商用、路燈用，支持最常用的系統(tǒng)架構(gòu)/電路，還專(zhuān)門(mén)設(shè)立了 eDesignSuite部門(mén)，為包括LED照明在內(nèi)的應(yīng)用市場(chǎng)提供電源管理軟件工具。

LED家用照明

LED家用照明市場(chǎng)對(duì)LED光源能效和驅(qū)動(dòng)芯片的要求越來(lái)越高，高集成度，高能效，高功率因數(shù)(HPF)，長(zhǎng)壽命，調(diào)光功能，系統(tǒng)成本低，元器件數(shù)量少，是家用照明應(yīng)用市場(chǎng)的主要需求。

意法半導(dǎo)體高集成度離線(xiàn)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線(xiàn)很寬(每款產(chǎn)品都包含一個(gè)片上集成控制器和保護(hù)電路的功率MOSFET)，最高輸出功率15W，擊穿電壓800 V，能夠管理市場(chǎng)上主流驅(qū)動(dòng)拓?fù)?，例如? 降壓、升/降壓和反激式拓?fù)?。在這些產(chǎn)品中，專(zhuān)用離線(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，例如，HVLED805、HVLED807PF、HVLED815PF，具有高功率因數(shù)和一次側(cè)恒流/恒壓穩(wěn)壓(PSR-CC/CV)功能，如圖1所示，因?yàn)殡娐范蝹?cè)無(wú)需穩(wěn)壓芯片和光耦，所以系統(tǒng)成本較低。此外，VIPerPlus系列Viper*5、 VIPer*6、VIPer*7、VIPer*8、VIPer0P和VIPer01離線(xiàn)轉(zhuǎn)換器也適合驅(qū)動(dòng)LED。

圖1 – 具有PSR-CV/CC功能的高功率因數(shù)反激式拓?fù)?/p>

反激式拓?fù)涞你Q位電路推薦使用STRVS*反復(fù)過(guò)壓保護(hù)器件和STTH*超高速二極管(600V-1200V產(chǎn)品);STPS*肖特基二極管和FERD*場(chǎng)效應(yīng)整流管非常適用于輸出整流。STRVS*保護(hù)芯片的低泄漏電流、輸出二極管的低VF/IR比和STTH*的優(yōu)異的VF/trr比，保證反激式拓?fù)渚哂谐錾目煽啃院湍苄А?/p>

通過(guò)推出高功率密度(高達(dá)61V/3A)的LED5000、LED6000 DC-DC LED驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(單片集成控制器+ MOSFET)，意法半導(dǎo)體支持用MR16 LED光源替代鹵鎢燈。

意法半導(dǎo)體提供多種LED家用照明系統(tǒng)評(píng)測(cè)板。一次側(cè)評(píng)測(cè)板如圖2所示。

圖 2 – 主要家用照明系統(tǒng)評(píng)測(cè)板

LED商用照明

商用和建筑照明系統(tǒng)通常需要20W以上的功率，以及高功率因數(shù)，高能效，節(jié)省成本，有時(shí)需要多條燈帶，有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

在只有一條燈帶時(shí)，通常使用反激式拓?fù)?。意法半?dǎo)體的新產(chǎn)品HVLED003D (2016年第四季度上市)是一款離線(xiàn)反激式LED驅(qū)動(dòng)控制器，一次側(cè)恒流穩(wěn)壓(PSR-CC)模式，內(nèi)置調(diào)光功能(0-10, PWM和可控硅)，可直接驅(qū)動(dòng)單燈帶，無(wú)需光耦和二次側(cè)控制器。主要開(kāi)關(guān)管推薦MDmesh™ K5功率MOSFET系列，我們發(fā)現(xiàn) 800-900-950Vbr產(chǎn)品(ST*N80K5、ST*N90K5和ST*N95K5 pn)特別適合這種拓?fù)?。MDmesh™ K5系列適用于硬開(kāi)關(guān)拓?fù)?，具有低Rdson導(dǎo)通電阻、低Qg柵電荷和低電容的特點(diǎn)。

關(guān)于鉗位網(wǎng)絡(luò)，我們推薦使用前面家用照明部分討論的鉗位電路器件。STPS*肖特基二極管、FERD*場(chǎng)效應(yīng)整流管和超高速二極管系列(大于等于200V的STTH*產(chǎn)品)最適合輸出整流電路。

多燈帶電源架構(gòu)由主電源(通常是反激式拓?fù)?和多燈帶管理電路組成，主電源提供恒定的DC總線(xiàn)電壓。架構(gòu)如圖3所示。

圖3 – LED多燈帶電源架構(gòu)

意法半導(dǎo)體的離線(xiàn)LED控制器HVLED001/A內(nèi)置一次側(cè)恒壓穩(wěn)壓(PSR-CV)電路和調(diào)光功能(0-10, PWM)，適用于反激式拓?fù)?。PSR-CV模式意味著電路不需要光耦和二次側(cè)控制器。該反激式拓?fù)涫褂们拔膯螣魩玫墓β蔒OSFET、輸出二極管和鉗位網(wǎng)絡(luò)。多燈帶管理分為模擬控制和數(shù)字控制兩種方法:

ü 高功率密度(最高61V/3A) 的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)降壓轉(zhuǎn)換器(單片集成控制器 + MOSFET) LED2000、LED2001、LED5000和LED6000(圖4)適用于模擬管理方法。

圖4 – 基于轉(zhuǎn)換器的模擬式LED多燈帶管理方法

還可以使用新的基于固定關(guān)斷時(shí)間(FOT)算法的HVLED0002電流式LED控制方法實(shí)現(xiàn)反向降壓拓?fù)?圖5);在這個(gè)拓?fù)鋬?nèi)，60V - 100V低壓STripFET F7功率MOSFET系列(推薦ST*N6F7和ST*N10F7)確保所有的解決方案都高效可靠。STripFET F7系列產(chǎn)品具有極低的Rdson導(dǎo)通電阻、優(yōu)化的體二極管(低Qrr)、優(yōu)化的本征電容和合理的Crss/Css比。

圖5 – 基于控制器的模擬式LED多燈帶管理方法

降壓拓?fù)浜头聪蚪祲和負(fù)浣ㄗh使用單燈帶拓?fù)渌玫妮敵龆O管。

ü 針對(duì)基于反向降壓拓?fù)?圖6)和PM88*或TD35*柵驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字式燈帶管理方法，意法半導(dǎo)體提供新的STLUX系列專(zhuān)用數(shù)字照明控制器以及STM32高性能微控制器。推薦使用STM32F334、STM32F301、STM32F0*和STM8S*。本例中的功率MOSFET與圖5的功率MOSFET相同，輸出二極管使用圖4和圖5的二極管。

圖6 – 數(shù)字式LED多燈帶管理

意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了多款商用單多燈系統(tǒng)評(píng)測(cè)板，圖7給出了其中部分評(píng)測(cè)板。

圖 7 – 主要的LED商用照明系統(tǒng)評(píng)測(cè)板

路燈

能效高、壽命長(zhǎng)、遠(yuǎn)程控制、尺寸緊湊、工作溫度范圍寬(-40 °C)，是對(duì)LED街道照明應(yīng)用的主要要求。路燈輸出功率通常在75W以上。

單燈帶架構(gòu)通常采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)一次側(cè)穩(wěn)壓恒流控制，由 PFC穩(wěn)壓器后接一個(gè)HB-LC諧振級(jí)構(gòu)成(圖8)。

圖8 – PSR-CC模式LED單燈帶數(shù)字驅(qū)動(dòng)器

在這種情況下，LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)是一個(gè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，由PFC和HB-LC兩個(gè)電路組成(圖8)，兩個(gè)電路共用一個(gè)數(shù)字管理芯片。關(guān)于數(shù)字管理芯片，意法半導(dǎo)體提供STLUX系列LED照明專(zhuān)用控制器以及多款 STM32高性能微控制器：我們推薦STM32F334、STM32F301和STM32F0*。PFC級(jí)電路可以采用PM88*或TD35*低邊柵驅(qū)動(dòng)器;LC級(jí)可以采用L638*、L639*或L649*高邊驅(qū)動(dòng)器。兩級(jí)電路建議采用不同的功率MOSFET管:

- PFC(升壓): 600-650Vbr MDmesh™ M2系列(ST*N60M2和ST*N65M2)和600V MDmesh™ M2-EP系列(ST*N60M2-EP)。兩個(gè)系列的柵電荷Qg均極低，為輕載工況優(yōu)化。M2-EP是高開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)品。

- HB-LC: 500-600Vbr MDmesh™ DM2系列(型號(hào): ST*N50DM2和ST*N60DM2)和 600Vbr MDmesh™ M2系列(ST*N60M2)或600V MDmesh™ M2-EP(ST*N60M2-EP)系列。DM2系列內(nèi)置trr特性改進(jìn)的本征二極管， dV/dt耐受性能出色。

關(guān)于輸出整流，PFC級(jí)(TM和CCM模式)推薦采用STTH*06 600V超高速系列二極管，而STPSC*碳化硅二極管建議只用于PFC-CCM。HB-LC建議采用前面商用LED單燈帶的輸出二極管。

多燈帶電源架構(gòu)由主電源和多燈帶管理電路組成，主電源提供一個(gè)恒定的總線(xiàn)電壓。主電源級(jí)通常包括集成LLC諧振轉(zhuǎn)換器的高功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)，提供總線(xiàn)恒壓。后接的LED燈帶控制是由多個(gè)降壓或反向降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖9 – 基于雙片控制器的模擬式LED多燈帶管理架構(gòu)

PFC和HB-LLC級(jí)建議采用單燈帶管理架構(gòu)相關(guān)電路級(jí)所用的功率MOSFET開(kāi)關(guān)管，而降壓和反向降壓轉(zhuǎn)換器則采用60-100V低壓STripFET F7功率MOSFET系列(產(chǎn)品型號(hào)ST*N6F7和ST*N10F7)。在HB-LLC、降壓和反向降壓電路內(nèi)，輸出二極管建議采用STPS*肖特基二極管、FERD*場(chǎng)效應(yīng)整流器和超高速二極管系列(大于等于200V的STTH* 產(chǎn)品)。PFC級(jí)使用單燈帶管理電路所用元器件。

關(guān)于兩個(gè)電路級(jí)(電源級(jí)和LED控制級(jí))，意法半導(dǎo)體提供模擬和數(shù)字兩種驅(qū)動(dòng)解決方案。

ü 模擬驅(qū)動(dòng)

對(duì)于Pout ≤ 250W的應(yīng)用，意法半導(dǎo)體提供L6562A*、L6564*和L6563*系列臨界模式(TM)PFC控制器(低端、中端和高端產(chǎn)品)，而高功率應(yīng)用可以采用L4981* 和L4984D系列連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)PFC控制器。管理HB-LLC諧振電路可以采用專(zhuān)用控制器L6599A*和L6699(低端和高端芯片)。要想簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，還可以采用新的PFC控制器和HB-LLC驅(qū)動(dòng)器二合一 的STCMB1雙片控制器(圖9)。

LED多燈帶管理可以采用高功率密度的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)降壓轉(zhuǎn)換器LED5000和LED6000(圖4)或者可以使用新的基于固定關(guān)斷時(shí)間(FOT)算法的HVLED002電流模式LED控制器實(shí)現(xiàn)反向降壓拓?fù)?圖5)。

ü 數(shù)字驅(qū)動(dòng)

數(shù)字驅(qū)動(dòng)方法需用兩個(gè)數(shù)字芯片：一個(gè)是一次側(cè)芯片(PFC級(jí)和HB-LLC級(jí))，另一個(gè)是二次側(cè)芯片(控制LED燈帶所需的全部反向降壓電路) (圖10)

圖10 – 數(shù)字解決方案

關(guān)于這兩個(gè)芯片，意法半導(dǎo)體的解決方案是采用單燈帶所用的芯片，二次側(cè)反向降壓控制器還是采用STM8*系列微控制器。

圖11 – 主要的路燈LED系統(tǒng)評(píng)測(cè)板

PFC控制器和HB-LLC電路建議采用單燈帶所用的柵驅(qū)動(dòng)器，反向降壓控制器采用商用數(shù)字LED多燈帶管理所用的柵驅(qū)動(dòng)器。

針對(duì)單燈帶和多燈帶LED路燈應(yīng)用，意法半導(dǎo)體提供多種系統(tǒng)評(píng)測(cè)板。圖11列出部分評(píng)測(cè)板。圖7列出的STEVAL-ILL074V1/V2 (60W模擬LED驅(qū)動(dòng))和STEVAL-ILL077V1(60W數(shù)字多燈帶 LED驅(qū)動(dòng))適用于路燈。

eDesignSuite軟件工具

eDesignSuite是一套易用的功能全面的軟件工具，幫助客戶(hù)定義應(yīng)用需求，利用意法半導(dǎo)體的各種產(chǎn)品，將應(yīng)用需求轉(zhuǎn)化成滿(mǎn)意的解決方案。套件包括

1) 智能仿真器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)引擎(圖12)：根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)(電源、太陽(yáng)能、充電器、LED照明、信號(hào)調(diào)理、RF設(shè)計(jì))，為用戶(hù)推薦產(chǎn)品和拓?fù)?

圖12 – 智能仿真器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)引擎視圖

2) 智能選型器：幫助用戶(hù)選擇最適合的產(chǎn)品類(lèi)型(例如：二極管);

3) 配置器：節(jié)省為某一個(gè)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)設(shè)定參數(shù)所用的時(shí)間和工作量(例如，照明應(yīng)用的STLUX SMED)。