在發(fā)達(dá)國家，效率推動著創(chuàng)新。在追求提高效率的過程中，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 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(jì)復(fù)雜性為代價(jià)。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(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服力的觀點(diǎn)，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(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，解決方案的每個(gè)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(gè)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?fù)渲邪瑪?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(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(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)。Texas Instruments 開發(fā)的 DC-DC LED 驅(qū)動器子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)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(jì)的框圖。

 

 

圖 1： TIDA-01096 參考設(shè)計(jì)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(lán)牙連接參考設(shè)計(jì)，為工程師提供了一個(gè)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(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(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/HV 1.5 A 降壓型 LED 驅(qū)動器 — 參考設(shè)計(jì)中的主要元器件之一。當(dāng)與 SimpleLink CC2650 多標(biāo)準(zhǔn) MCU 結(jié)合使用時(shí)，它可為開發(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。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/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(jì)中，使用了兩個(gè)器件來驅(qū)動兩個(gè) LED 燈串。在此拓?fù)渲?，可以通過使用外部振蕩器來超控每個(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。

 

 

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(gè)介于 300 kHz 和 2 MHz 之間的方波來實(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 信號的下降沿同步。

 

在參考設(shè)計(jì)中，可通過三種方式來實(shí)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(jì)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(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(gè)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(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、調(diào)亮或調(diào)暗 — 可能使用語音指令。

 

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 SimpleLink CC2650 是一種多標(biāo)準(zhǔn)的無線 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 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(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)。

 

除了 LED 驅(qū)動器和無線 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 SimpleLink CC2650 LaunchPad 配對的 TIDA-01096 來配置基于參考設(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)目開發(fā)的，可根據(jù)要求提供。

 

 

圖 5： 使用 TIDA-01096 參考設(shè)計(jì)的建議硬件配置。

 

 

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(dǎo)體制造商對此進(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，以有線或無線通信的形式添加連接功能的做法日益流行。

 

開發(fā)一個(gè)包括無線連接的全功能、可調(diào) LED 照明解決方案涉及兩個(gè)可能難以應(yīng)對的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但隨著相關(guān)開發(fā)平臺和參考設(shè)計(jì)（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。