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通過使用低通濾波器傳遞PWM信號來生成模擬信號

技術中心

Technology

通過使用低通濾波器傳遞PWM信號來生成模擬信號

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/06/05
瀏覽量

在發達國家,效率推動著創新。在追求提高效率的過程中,一個正在發生重大變化的領域是照明。固態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),繼續取代傳統和更節能的照明形式,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能效果,但它可能會以設計復雜性為代價。驅動 LED 燈所需的控制電路充其量只是一種 AC-DC 轉換器,但通常會包括某種程度的智能控制。雖然這種增加的復雜性可能會增加成本,但經過精心設計后,可以產生一種以適當價格提供巨大價值的 LED 照明解決方案。
LED 照明的最終應用幾乎是無限的,從低水平消費照明到高棚工業、廚柜,再到街道照明。包括智能調光、連接性和遠程管理等特性的前景使得向 LED 照明的轉變成為一種非常有說服力的觀點,持續贏得決策者的支持。
開發一套完整的 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校正 (PFC) 的 AC 整流、DC-DC 轉換和 LED 控制。如果將連接性添加到此范圍內,以提供更具前瞻性的解決方案,那么設計挑戰將會進一步增加。
雖然 LED 本質上比其他形式的照明更高效,但為了保持這一優勢,解決方案的每個階段都必須提供最佳效率。這與開發傳統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字控制電源轉換的轉變。通過在整體拓撲中包含數字電源,可以實現更高效、更靈活的解決方案。如果在設計過程中采用全數字化方法,那么可以將大量功能集成到較少數量的器件中。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 轉換級即可優化整體設計。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化創造更多的可能性。
為照明裝置添加控制和連接性是一項重大的發展,因為它能將照明系統集成到建筑管理系統 (BMS) 中,或作為智能家居的一部分。LED 照明的一個優勢是其穩健性:燈光可以變暗,也可以更頻繁地打開/關閉,而不會影響其使用壽命或產生浪涌電流。LED 燈還提供了更大的位置靈活性,從而實現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。
為了解決這一設計挑戰,參考設計正在不斷涌現。Texas Instruments 開發的 DC-DC LED 驅動器子系統參考設計雖然不能作為組裝好的 PCB 購買,但已經過全面的測試,并提供了所有說明文檔(BOM、原理圖、PCB Gerber)。圖 1 顯示了該參考設計的框圖。
 
圖 1: TIDA-01096 參考設計框圖。
TIDA-01096 是 TI 的高能效、可調白光 LED DC-DC 驅動器,帶有智能藍牙連接參考設計,為工程師提供了一個用于開發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合使用暖白光和冷白光 LED 燈串,可以模擬住宅和零售環境中室內照明的日光條件。TIDA-01096 專用于這一應用領域,并使用若干高級元器件在廣泛的工作條件下實現 98% 的效率。
該參考設計旨在用作一個互聯 LED 驅動器,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計所選的 MCU 中,由 TI 另外開發的軟件資源提供支持。該功能連同設計中的其他主要元器件提供了一系列“智能”特性,如調光、色溫調節和日光收集。由于該設計旨在控制 LED 燈串以模擬日光,因此也可以用于創造經證明具有健康保健優勢的晝夜節律。
對于 LED 產生不同級別輸出的功能,其使用需要一個集成式解決方案。其中一種產品是具有集成模擬電流調節的 TPS92513/HV 1.5 A 降壓型 LED 驅動器 — 參考設計中的主要元器件之一。當與 SimpleLink CC2650 多標準 MCU 結合使用時,它可為開發從穩壓 DC 電源運行的智能 LED 照明系統提供完美的平臺。在設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/HV LED 驅動器專為一系列高功率照明應用(包括街燈、應急照明以及工業和零售照明)而開發,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 MOSFET。圖 2 顯示了如何使用該器件的簡化原理圖。
 
圖 2: TPS92513/HV LED 驅動器典型應用的簡化原理圖。
在參考設計中,使用了兩個器件來驅動兩個 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部振蕩器,從而實現器件的同步。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 之間產生不良影響(如頻率跳變),還可幫助最大限度地降低設計的整體 EMI。功能框圖如圖 3 所示。
 
圖 3: TPS92513/HV LED 驅動器的功能框圖。
同步是通過對 RT/CLK 引腳(引腳 5)施加一個介于 300 kHz 和 2 MHz 之間的方波來實現的。內部 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。
在參考設計中,可通過三種方式來實現調光:通過改變 IADJ 引腳(引腳 6)上的模擬輸入;采用數字方式對 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 產生(見圖 4)。
 
圖 4: TI 的 SimpleLink CC2650 無線 MCU 的功能框圖。
由于模擬調光更有效,參考設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用于 IADJ 引腳。該參考設計還支持模擬/PWM 調光控制組合,并支持同時使用模擬和 PWM 方法的無閃爍低 LED 電流調光。
SimpleLink CC2650 無線 MCU 與 LED 驅動器緊密協作,提供了兩個關鍵功能:驅動器的控制信號,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用程序中調節光輸出或色溫,或者允許 BMS 將燈關閉、打開、調亮或調暗 — 可能使用語音指令。
當使用互聯系統時,這種可能性僅受限于想象力。由于 SimpleLink CC2650 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 內核可以容納與高層所選協議棧(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 ARM Cortex-M0 內核,以及基帶和模擬前端之間的接口。它使用 API 連接到主 CPU,旨在進一步簡化設計。
除了 LED 驅動器和無線 MCU 之外,參考設計還包括 OPT3001 數字環境光傳感器,這是一種與人眼的光譜響應高度匹配的光學傳感器。在參考設計中包含這種傳感器支持以下使用實例:調節光輸出以提供適合人類視覺的環境。設計中包含與 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 SimpleLink CC2650 LaunchPad 配對的 TIDA-01096 來配置基于參考設計的 LED 照明解決方案的硬件。該項目的固件是由 TI 作為代碼調試器項目開發的,可根據要求提供。
 
圖 5: 使用 TIDA-01096 參考設計的建議硬件配置。
總結
固態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。與現有的照明技術相比,它提供了顯著的成本優勢。
半導體制造商對此進行了大量投資,現在有許多產品可以幫助工程師設計優化的解決方案,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。
開發一個包括無線連接的全功能、可調 LED 照明解決方案涉及兩個可能難以應對的設計挑戰,但隨著相關開發平臺和參考設計(如本文中所介紹)的出現,現在應對這些挑戰比以往更容易。

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