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75W全數位HB LED驅動器
 

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

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十年來,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,徹底改變照明產業的格局。在不影響電路驅動性能和保護功能的前提之下,開發盡低的功耗取得所需光照度的LED驅動器,是現今的照明燈具工程師所面臨的挑戰。


圖1所示的75W全數位控HB LED驅動器評估板,能夠將LED的亮度降至最大亮度的0.5%。這款LED驅動器具有兩個功率轉換級:前級是一個功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)轉換器,用於提供穩壓直流輸出,後級是並聯在一起的降壓轉換器和改進的降壓轉換器,如圖2所示。



圖1 : STEVAL-LLL004V1 75W數位控制照明評估板
圖1 : STEVAL-LLL004V1 75W數位控制照明評估板

32位元微控制器(MCU)透過數位技術控制PFC級和兩個DC-DC降壓轉換器。PFC級和兩個DC-DC轉換器的數位控制技術,在成本效益和設置靈活度上有顯著之優勢。板載快速保護電路確保全部基本保護功能具有高可靠性。我們使用通用交流電源(85-265V)在整個亮度範圍(0.5-100%)對LED驅動器進行了性能評測,實驗結果顯示,各項功率品質參數均在通用交流電源諧波標準IEC 61000-3-2的可接受範圍內。


本文提出之解決方案採用功率轉換數位控制方法,而非採用類比IC的標準設計方法。


數位控制的主要優勢是可靈活設定。在任何既定條件下,實時調整參數和操作點,無需修改任何硬體,而類比控制僅在特定範圍內調整。兩種調光方式(類比或數位)、調光控制(0-10V,無線通訊)、調光分辨率、溫度監測、各種保護和通訊功能等先進功能可以整合在一顆晶片上。不過,用數位技術實現這些功能相較類比控制更加容易,因此,數位控制方案的成本效益相對更高。此外,在噪聲條件下,數位控制的穩定度高於類比控制:數位控制解?方案不易受到元件容差、溫度變化和電壓漂移的影響。


系統概述

如圖2所示,新開發的LED驅動器由STM32F071CB微控制器和三個不同功率級組成。?具備最佳效能,PFC級和兩個DC-DC轉換器皆採臨界導通模式(Transition Mode,TM)。第一個降壓DC轉換器和第二個反向降壓轉換器都是恒流模式。反向降壓拓墣結構內的功率開關接地,而不是標準降壓拓樸的連接高邊開關。


MCU和包括PM8841D、PM8834和L6395D在內的閘極驅動電路用於管理反激拓樸中的輔助開關電源,VIPer013LS(60 kHz高壓離?轉換器)?MCU和閘極驅動器供電。在100%負載時,LED驅動器系統的總體能效大約91%,這歸功於STD11N60M2-EP N-Channel 600 V MDmeshT M2 EP功率MOSFET。


MCU的設置是檢測所有電源轉換器的電感電流過零檢測(Zero Crossing Detection,ZCD)訊號和其他相關訊號,進而控制MOSFET閘極驅動訊號。該驅動板配備全面的保護功能,例如,短路保護、開路保護、輸入欠壓保護和輸入過壓保護。



圖2 : LED驅動板框圖
圖2 : LED驅動板框圖

?控制LED的亮度,板載一個0-10V輸入和多個按鈕。借助MCU的先進定時器,LED亮度可調至最大亮度的0.5%。 此外,驅動板亦提供類比調光和數位調光等兩種方式。


在數位(PWM)調光中,LED電流是頻率固定的(通常超過100Hz)通斷電流。LED始終在標稱電流值時點亮。 LED的平均電流是總標稱電流與調光佔空比的乘積,可以透過調整佔空比來調整亮度。然而,在類比調光情?下,LED的電流是連續電流,但是,電流值本身會發生變化。選擇正確的調光技術取?於該應用的性能指標。兩種調光方法各有利弊,表1列出了其中一些主要利弊。


表1:數位調光(PWM)與類比調光之比較表

數位(PWM)調光

類比調光

 

LED電流恒定,無色偏

LED電流值變化,有色偏

可能存在涌流問題

無涌流問題

亮度變化線性極佳

亮度變化線性不佳

光電效能低

光電效能高

頻率限制問題

無頻率問題


控制演算法

我們在STM32系列32位元STM32F071CB MCU上驗證了LED驅動器的控制演算法。MCU控制這三個臨界導通模式功率級,在電感電流過零後立即?動MOSFET閘極。PFC級實現了比例積分(Proportional-Integral,PI)控制迴路,改善了控制迴路的穩定性、線路轉換和調光步進特性,並在啟動階段降低了電流電壓過沖。降壓和反向降壓轉換器都是滯後功率轉換器。 可用電路板上的模式開關選擇調光技術和控制功能。無論選擇哪一種調光技術,亮度都可以降到最大亮度的0.5%。


數字調光是使用MCU的500Hz定時器外設實現的。 按照調光值的大小,調整降壓和反向降壓轉換器的占空比。


類比調光乃使用MCU內部比較器和數位類比轉換器(Analog Converter,DAC)外設實現的。按照調光值的大小,藉由DAC調整內部比較器正相端的電流閾值(電感峰流)。在臨界模式下控制電感峰值電流,只能將LED的亮度降到某一定程度。?了處理好低亮度,需要強制兩個DC-DC轉換器進入非連續導通模式,如圖3所示。



圖3 : 模擬調光:亮度-頻率曲?
圖3 : 模擬調光:亮度-頻率曲?

實驗結果

我們統計STEVAL-LLL004V1在不同負載時的總效能、功率因數和總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)三個參數。在230V AC 100%負載時,效能高於91%。 圖4、5、6描述了LED驅動器的效能、功率因數和THD失真值。



圖4 : 在不同負載時輸入電壓(AC)-效能曲線
圖4 : 在不同負載時輸入電壓(AC)-效能曲線

圖5 : 在不同負載時輸入電壓(AC)-功率因數曲線
圖5 : 在不同負載時輸入電壓(AC)-功率因數曲線

圖6 : 在不同負載時輸入電壓(AC)-總諧波失真曲線
圖6 : 在不同負載時輸入電壓(AC)-總諧波失真曲線

結論

本文討論的數位控制LED驅動器可輸出75W的功率,類比和數位調光方法都能將LED亮度降至最大亮度的0.5%。不論使用那種調光技術,LED無閃爍可保持到0.5%亮度,這使其成?獨特的LED驅動方案。實驗結果顯示,在寬輸入電壓和負載條件下,這款驅動器的效能很高,功率因數接近1,THD%失真度低,這歸功於意法半導體在32位元STM32F0 MCU上具備控制的功能。


(本文作者Fabrizio DI FRANCO、Akshat JAIN 任職於意法半導體)


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