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75W全数位HB LED驱动器
 

【作者: Fabrizio DI FRANCO等人】2018年10月30日 星期二

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十年来,高亮度LED的效能(流明/瓦)、耐用性、可靠度和成本效益迅速提升,彻底改变照明产业的格局。在不影响电路驱动性能和保护功能的前提之下,开发尽低的功耗取得所需光照度的LED驱动器,是现今的照明灯具工程师所面临的挑战。


图1所示的75W全数位控HB LED驱动器评估板,能够将LED的亮度降至最大亮度的0.5%。这款LED驱动器具有两个功率转换级:前级是一个功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)转换器,用於提供稳压直流输出,後级是并联在一起的降压转换器和改进的降压转换器,如图2所示。



图1 : STEVAL-LLL004V1 75W数位控制照明评估板
图1 : STEVAL-LLL004V1 75W数位控制照明评估板

32位元微控制器(MCU)透过数位技术控制PFC级和两个DC-DC降压转换器。PFC级和两个DC-DC转换器的数位控制技术,在成本效益和设置灵活度上有显着之优势。板载快速保护电路确保全部基本保护功能具有高可靠性。我们使用通用交流电源(85-265V)在整个亮度范围(0.5-100%)对LED驱动器进行了性能评测,实验结果显示,各项功率品质叁数均在通用交流电源谐波标准IEC 61000-3-2的可接受范围内。


本文提出之解决方案采用功率转换数位控制方法,而非采用类比IC的标准设计方法。


数位控制的主要优势是可灵活设定。在任何既定条件下,实时调整叁数和操作点,无需修改任何硬体,而类比控制仅在特定范围内调整。两种调光方式(类比或数位)、调光控制(0-10V,无线通讯)、调光分辨率、温度监测、各种保护和通讯功能等先进功能可以整合在一颗晶片上。不过,用数位技术实现这些功能相较类比控制更加容易,因此,数位控制方案的成本效益相对更高。此外,在噪声条件下,数位控制的稳定度高於类比控制:数位控制解?方案不易受到元件容差、温度变化和电压漂移的影响。


系统概述

如图2所示,新开发的LED驱动器由STM32F071CB微控制器和三个不同功率级组成。?具备最隹效能,PFC级和两个DC-DC转换器皆采临界导通模式(Transition Mode,TM)。第一个降压DC转换器和第二个反向降压转换器都是??流模式。反向降压拓??结构内的功率开关接地,而不是标准降压拓朴的连接高边开关。


MCU和包括PM8841D、PM8834和L6395D在内的闸极驱动电路用於管理反激拓朴中的辅助开关电源,VIPer013LS(60 kHz高压离?转换器)?MCU和闸极驱动器供电。在100%负载时,LED驱动器系统的总体能效大约91%,这归功於STD11N60M2-EP N-Channel 600 V MDmeshT M2 EP功率MOSFET。


MCU的设置是检测所有电源转换器的电感电流过零检测(Zero Crossing Detection,ZCD)讯号和其他相关讯号,进而控制MOSFET闸极驱动讯号。该驱动板配备全面的保护功能,例如,短路保护、开路保护、输入欠压保护和输入过压保护。



图2 : LED驱动板框图
图2 : LED驱动板框图

?控制LED的亮度,板载一个0-10V输入和多个按钮。借助MCU的先进定时器,LED亮度可调至最大亮度的0.5%。 此外,驱动板亦提供类比调光和数位调光等两种方式。


在数位(PWM)调光中,LED电流是频率固定的(通常超过100Hz)通断电流。LED始终在标称电流值时点亮。 LED的平均电流是总标称电流与调光占空比的乘积,可以透过调整占空比来调整亮度。然而,在类比调光情?下,LED的电流是连续电流,但是,电流值本身会发生变化。选择正确的调光技术取?於该应用的性能指标。两种调光方法各有利弊,表1列出了其中一些主要利弊。


表1:数位调光(PWM)与类比调光之比较表

数位(PWM)调光

类比调光

 

LED电流??定,无色偏

LED电流值变化,有色偏

可能存在涌流问题

无涌流问题

亮度变化线性极隹

亮度变化线性不隹

光电效能低

光电效能高

频率限制问题

无频率问题


控制演算法

我们在STM32系列32位元STM32F071CB MCU上验证了LED驱动器的控制演算法。MCU控制这三个临界导通模式功率级,在电感电流过零後立即?动MOSFET闸极。PFC级实现了比例积分(Proportional-Integral,PI)控制??路,改善了控制??路的稳定性、线路转换和调光步进特性,并在启动阶段降低了电流电压过冲。降压和反向降压转换器都是滞後功率转换器。 可用电路板上的模式开关选择调光技术和控制功能。无论选择哪一种调光技术,亮度都可以降到最大亮度的0.5%。


数字调光是使用MCU的500Hz定时器外设实现的。 按照调光值的大小,调整降压和反向降压转换器的占空比。


类比调光乃使用MCU内部比较器和数位类比转换器(Analog Converter,DAC)外设实现的。按照调光值的大小,藉由DAC调整内部比较器正相端的电流??值(电感峰流)。在临界模式下控制电感峰值电流,只能将LED的亮度降到某一定程度。?了处理好低亮度,需要强制两个DC-DC转换器进入非连续导通模式,如图3所示。



图3 : 模拟调光:亮度-频率曲?
图3 : 模拟调光:亮度-频率曲?

实验结果

我们统计STEVAL-LLL004V1在不同负载时的总效能、功率因数和总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)三个叁数。在230V AC 100%负载时,效能高於91%。 图4、5、6描述了LED驱动器的效能、功率因数和THD失真值。



图4 : 在不同负载时输入电压(AC)-效能曲线
图4 : 在不同负载时输入电压(AC)-效能曲线

图5 : 在不同负载时输入电压(AC)-功率因数曲线
图5 : 在不同负载时输入电压(AC)-功率因数曲线

图6 : 在不同负载时输入电压(AC)-总谐波失真曲线
图6 : 在不同负载时输入电压(AC)-总谐波失真曲线

结论

本文讨论的数位控制LED驱动器可输出75W的功率,类比和数位调光方法都能将LED亮度降至最大亮度的0.5%。不论使用那种调光技术,LED无闪烁可保持到0.5%亮度,这使其成?独特的LED驱动方案。实验结果显示,在宽输入电压和负载条件下,这款驱动器的效能很高,功率因数接近1,THD%失真度低,这归功於意法半导体在32位元STM32F0 MCU上具备控制的功能。


(本文作者Fabrizio DI FRANCO、Akshat JAIN 任职於意法半导体)


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