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75W全數控HB LED驅動器

  摘要

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  十年來,高亮度LED的能效(流明/瓦)、耐用性、可靠性和成本效益迅速提高,徹底改變了照明行業的格局。在不影響電路驅動性能和保護功能的前提下,開發一種以盡可能低的功耗取得所需光照度的LED驅動器,是今天的照明燈具工程師所面臨的挑戰。

  圖1所示的75W全數控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驅動器有兩個功率轉換級:前級是一個功率因數校正(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,。32位微控制器(MCU)通過數字技術控制PFC級和兩個DC-DC降壓轉換器。PFC級和兩個DC-DC轉換器的數控技術在成本效益和設置靈活性方面有明顯優勢。板載快速保護電路保證全部基本保護功能具有很高的可靠性。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,實驗結果表明,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。

  引言

  本文提出的解決方案採用功率轉換數控方法,而非基於模擬IC的標準設計方法。

  數控的主要優點是設置靈活,可以在任何給定條件下,即時調整參數和操作點,無需修改任何硬體,而模擬控制只能在特定範圍內調整。 兩種調光方式(模擬或數字)、調光控制(0-10V,無線通信)、調光解析度、溫度監測、各種保護和通信功能等先進功能可以集成在一顆晶片上,不過,用數字技術實現這些功能比用模擬控制方法更容易, 因此,數控方案的成本效益更高。此外,在雜訊條件下,數字控制的穩定性高於模擬控制:數控解決方案不易受到元件容差、溫度變化和電壓漂移的影響。

  圖 1: STEVAL-LLL004V1 75W數控照明評估板

  系統概述

  新開發的LED驅動器由STM32F071CB微控制器和三個不同功率級組成,。為實現最佳能效,PFC級和兩個DC-DC轉換器都是臨界導通模式(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。反向降壓拓撲結構內的功率開關接地,而不是標準降壓拓撲的連接高邊開關。MCU和包括PM8841D、PM8834和L6395D在內的柵極驅動電路用於管理反激拓撲中的輔助開關電源,VIPer013LS(60 kHz高壓離線轉換器)為MCU和柵極驅動器供電。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溝道600 V MDmeshTM 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(ZCD)信號和其他相關信號,從而控制MOSFET柵極驅動信號。 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

  為控制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,驅動板還提供模擬調光和數字調光兩種方式。

  在數字(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占空比的乘積,可以通過調整占空比來調整亮度。然而,在模擬調光情況下,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決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: 數字調光 (PWM)與模擬調光比較

  控制演算法

  我們在STM32系列32位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啟動MOSFET柵極。PFC級實現了比例積分(PI)控制環路,改善了控制環路的穩定性、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。

  模擬調光是使用MCU內部比較器和數Boreas模轉換器(DAC)外設實現的。按照調光值的大小,借助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。為了處理好低亮度,需要強制兩個DC-DC轉換器進入非連續導通模式,。

  圖 3: 模擬調光:亮度-頻率曲線

  實驗結果

  我們計算了STEVAL-LLL004V1在不同負載時的總能效、功率因數和總諧波失真(THD)三個參數。在 230V AC 100%負載時,能效高於91%。 圖4、5、6描述了LED驅動器的能效、功率因數和THD失真。

  圖4: 在不同負載時輸入電壓 (AC)-能效曲線

  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

  結論

  本文討論的數控LED驅動器可以輸出75W的功率,模擬和數字調光方法都能將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,這使其成為市場上獨一無二的LED驅動方案。實驗結果表明,在寬輸入電壓和負載條件下,這款驅動器的能效很高,功率因數接近1,THD%失真度低,這歸功於意法半導體電源產品的性能優異以及在32位STM32F0 MCU上實現的控制策略。

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