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富昌電子(德國)的技術(shù)銷售經(jīng)理Peter Bensch在本文中介紹了一種為模塊化LED燈具設(shè)計(jì)電源的方法，該方法結(jié)合了低BOM成本、低EMI，并在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的靈活性。該方法采用新開發(fā)的微控制器，具有特別定制的適用于LED電源系統(tǒng)的功能，使燈具制造商能夠以更低的成本開發(fā)更多的產(chǎn)品，并能夠經(jīng)濟(jì)地滿足更多樣化的客戶需求。

標(biāo)準(zhǔn)電源的靈活性

電子行業(yè)為照明設(shè)備制造商提供了各種專為驅(qū)動(dòng)LED而設(shè)計(jì)的現(xiàn)成的、已認(rèn)證的電源模塊。集成這種模塊是一個(gè)快速和簡單的任務(wù)。對(duì)于只想生產(chǎn)具有已知的、固定光輸出的LED燈具的制造商來說，這是一個(gè)完美選擇，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的LED電源模塊通常有一個(gè)固定的恒流或恒壓輸出。

但是，照明設(shè)備的市場既龐大又多樣化?？蛻粜枨罅钊搜刍潄y的各種風(fēng)格和尺寸、具有許多不同光輸出電平的燈具。如果制造商為每個(gè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)全新的電源，則很難經(jīng)濟(jì)地滿足這些多樣化的需求。

一種更有效的方法是創(chuàng)建一個(gè)模塊化電源系統(tǒng)平臺(tái)，可以很容易、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行修改，以便為各種終端產(chǎn)品供電。

但是，由于不同的照明需要不同的功率輸出，現(xiàn)在市場上廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)、固定輸出的電源模塊顯得不夠靈活。另一方面，模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是大多數(shù)元器件(包括電源)應(yīng)該適用于所有的產(chǎn)品類型。

還有另一種方法可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇：可以從一個(gè)單元提供一系列功率輸出的可配置的電源模塊;設(shè)計(jì)人員通過一個(gè)簡單的行尾(end-of-line)編程程序選擇所需的配置。因此，單個(gè)可配置的單元能夠支持多種燈具設(shè)計(jì)。目前提供這種可編程模塊的供應(yīng)商有飛利浦照明(Xitanium系列)和Roal等。

新的模塊化架構(gòu)

但是，由于一種可提供特定照明功能的新型數(shù)字控制器的出現(xiàn)，使燈具制造商可能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)一種新的模塊化電源架構(gòu)。它的運(yùn)行方式類似于微控制器，因此設(shè)計(jì)人員能夠輕松集成對(duì)照明應(yīng)用有價(jià)值的額外功能。

這種新的架構(gòu)使用控制器在可調(diào)光LED的并聯(lián)燈串之間切換，如圖1所示。控制器采用這種方式切換LED燈串可最大限度降低輸入紋波電流，從而減少了電磁干擾的發(fā)生，并使物料清單(BOM)和認(rèn)證成本降至最低。

通過改變燈串的數(shù)量和長度可以實(shí)現(xiàn)不同的燈具設(shè)計(jì)。外部AC-DC電源模塊提供了一個(gè)高于最長LED燈串的正向電壓的恒定電壓。因此，通過單個(gè)通用的PCB設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無限多種燈具電源。

圖1：單個(gè)控制器能夠可靠地控制多個(gè)LED燈串的電源

除了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡單并加快產(chǎn)品上市時(shí)間，這種方法還有一個(gè)好處：傳統(tǒng)的高強(qiáng)度LED燈具通常使用串聯(lián)配置的LED長燈串。這種串聯(lián)燈串的電源具有非常高的電壓，需要隔離措施以確保安全。相比之下，多個(gè)并聯(lián)的LED短燈串在一個(gè)安全的低電壓下工作，因此不需要防觸電保護(hù)。

防止過度的電磁干擾

實(shí)現(xiàn)這種架構(gòu)時(shí)設(shè)計(jì)人員面臨的主要問題是避免對(duì)電路板的過多開關(guān)操作產(chǎn)生有害的電磁干擾和紋波電流。對(duì)于在相同的開關(guān)頻率下運(yùn)行的同步PWM驅(qū)動(dòng)器，需要避免干擾和潛在的可聽噪聲，就其本身而言，這是很容易做到的。但電路板上的敏感元件仍然有受到高峰值紋波電流損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

電源開關(guān)周期的邊沿會(huì)產(chǎn)生紋波電流。在有幾個(gè)同步驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)中，多個(gè)同時(shí)的邊沿產(chǎn)生的紋波電流相結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生極大的峰值紋波電流。

為了避免損壞其他電路元器件，需要使紋波電流峰值保持在一個(gè)較低的值。一種方法是使下降沿分開，不同時(shí)發(fā)生;平均紋波電流保持不變，但峰值紋波電流降低?？梢酝ㄟ^驅(qū)動(dòng)器開關(guān)的相移來實(shí)現(xiàn)這種交錯(cuò)。

在過去，這種復(fù)雜的設(shè)計(jì)在LED電源中可能被認(rèn)為不可取。但目前半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)使這種設(shè)計(jì)比以前更容易實(shí)施。意法半導(dǎo)體新的MASTERLUX™系列數(shù)字控制器能夠提供當(dāng)今LED電源設(shè)計(jì)所需的功能，包括相移。

在意法半導(dǎo)體的首款MASTERLUX器件STLUX385A中，開關(guān)操作的相移是通過稱為狀態(tài)機(jī)事件驅(qū)動(dòng)(SMED)的創(chuàng)新的數(shù)字技術(shù)而實(shí)現(xiàn)的。SMED是一款96MHz的狀態(tài)機(jī)，在硬件中實(shí)現(xiàn)，并通過內(nèi)部或外部事件觸發(fā)。它替換并擴(kuò)展了可能由傳統(tǒng)微控制器的模擬模塊提供的功能。

作為一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器控制器，當(dāng)它檢測到過流或短路狀態(tài)時(shí)，SMED會(huì)關(guān)閉調(diào)節(jié)回路并自動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。由于SMED完全在硬件內(nèi)實(shí)現(xiàn)，所以它們能夠保證事件反應(yīng)時(shí)間比任何標(biāo)準(zhǔn)中斷驅(qū)動(dòng)微控制器處理器內(nèi)核的反應(yīng)時(shí)間短。這意味著每個(gè)LED通道所需的占空比能夠如期執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的精確和可靠調(diào)節(jié)。

STLUX385A包含6個(gè)SMED;每個(gè)可以用來控制一個(gè)PWM LED驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器本身是在控制器外部(如離散降壓穩(wěn)壓器中)實(shí)現(xiàn)的。意法半導(dǎo)體提供了一個(gè)SMED外設(shè)開發(fā)工具。它包括一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形SMED配置器，可直接生成C代碼。設(shè)計(jì)人員輸入每通道的LED數(shù)量、LED規(guī)格和流過LED的所需平均電流，然后該工具計(jì)算所需的占空比和PWM配置。STLUX385A也可以為LED光輸出隨時(shí)間的衰減提供自動(dòng)補(bǔ)償。

示例設(shè)計(jì)

通過學(xué)習(xí)意法半導(dǎo)體開發(fā)的一個(gè)示例，可以知道如何將STLUX385A 用于一個(gè)多通道LED設(shè)計(jì)中。其評(píng)估模塊STEVAL385LED4CH包括運(yùn)行效率高達(dá)98%的四個(gè)相移LED通道，全部由單個(gè)STLUX385A控制。

該評(píng)估板可通過多種方式進(jìn)行配置，從而為許多燈具廠商的平臺(tái)電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的起點(diǎn)。它可以在12V至48V之間的任何直流輸入下工作。該電源可驅(qū)動(dòng)每通道3至10個(gè)LED并調(diào)光，最大總功率為200W。

意法半導(dǎo)體沒有選擇通用的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。相反，該??系統(tǒng)采用了反向的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制一個(gè)低成本N型MOSFET，無需升壓電容。這降低了BoM成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡便的、以地為參考的開關(guān)電流測量。

圖2：常見的降壓轉(zhuǎn)換器電路(上)和STLUX385A演示系統(tǒng)中使用的反向降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?下)

如圖3所示，在LED通道0的原理圖中，L3、D4和C11構(gòu)成反向降壓電路。D6是一個(gè)肖特基二極管，用于在LED燈串開路時(shí)保護(hù)電路。柵極驅(qū)動(dòng)器U2用于驅(qū)動(dòng)LED正向電壓：它們比采用3.3V電源供電的STLUX385A的直接驅(qū)動(dòng)能力更高。R28和R29分流電阻與R23/C14構(gòu)成的尖峰濾波器配合，用于測量開關(guān)電流。Q4和U5用于捕捉LED電壓，以實(shí)現(xiàn)STLUX385A的保護(hù)功能。

通過在控制器中適當(dāng)?shù)嘏渲肞WM信號(hào)，四個(gè)LED通道的電源電路可以進(jìn)行相移，以避免產(chǎn)生高峰值紋波電流，如圖4所示。

圖3：STLUX385A的PWM信號(hào)用于控制每個(gè)LED通道的反向降壓轉(zhuǎn)換器

圖4：可以簡便地配置STLUX385A中的SMED外設(shè)，實(shí)現(xiàn)多達(dá)六個(gè)LED通道的開關(guān)操作的相移

以上所述的PWM控制功能是實(shí)現(xiàn)LED燈具的模塊化電源設(shè)計(jì)的主要功能。但使用集成控制器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它提供了對(duì)LED照明系統(tǒng)有用的其他功能。包括：

內(nèi)置的控制接口支持，如DALI、DMX-512、KNX(與外部KNX收發(fā)器，如安森美半導(dǎo)體的NCN5120串聯(lián))，以及1-10V控制支持

靈活的上升斜坡/下降斜坡波形

當(dāng)與數(shù)字環(huán)境光傳感器(如Avago Technologies的APDS-9301、ROHM的BH1721FVC或AMS的TSL4531)結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境光自動(dòng)調(diào)節(jié)。

結(jié)論

STLUX385A提供了創(chuàng)建一個(gè)高效的、非常靈活和強(qiáng)大的LED燈具驅(qū)動(dòng)器所需的所有必要控制功能。所提出的系統(tǒng)解決方案通過使用交錯(cuò)的開關(guān)方案，將EMI保持在安全范圍內(nèi)，并且通過使用一個(gè)安全的低電壓來滿足安全要求。同時(shí)，該解決方案經(jīng)濟(jì)高效，因?yàn)殚_關(guān)方案可使用單個(gè)低成本控制器控制多達(dá)六個(gè)獨(dú)立的LED燈串。