基於全數位控制採用意法半導體 STM32F071CB 的可調光75W LED驅動器解決方案

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,開發低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。 

STEVAL-LLL004V1由 STM32F071CB 微控制器控制的三個不同功率級組成,PFC 級和兩個 DC-DC 轉換器設計為在轉換模式 (TM) 下工作,以優化效率。基於降壓拓撲的第一DC-DC轉換器和基於反向降壓拓撲的第二DC-DC轉換器均工作在恆流模式。在反向降壓拓撲中,電源開關接地,而不是標準降壓拓撲中的高端開關。 MCU 和包括 PM8841D、PM8834 和 L6395D 在內的柵極驅動部分由 VIPer013LS(60 kHz 高壓離線轉換器)供電,用於管理反激拓撲中的輔助 SMPS。得益於 STD11N60M2-EP、N 溝道 600 V MDmesh™ M2 EP 功率 MOSFET,LED 驅動器系統在 100% 負載下的整體效率約為 91%。 MCU 被配置為感應所有電源轉換器的電感電流過零檢測 (ZCD) 和其他相關信號,因此,MCU 控制 MOSFET 柵極驅動信號。該板配備了全面的安全功能,如短路、開路、輸入欠壓和輸入過壓。

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。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。此外,在噪聲條件下,數位控制的穩定度高於類比控制:數位控制解決方案不易受到元件容差、溫度變化和電壓漂移的影響。

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啟動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。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

實驗結果顯示透過類比和數字方法將 LED 調暗至最大亮度級別的 0.5%。 使用任何一種調光技術,操作在高達 0.5% 的調光水平時均無閃爍,使 LED 驅動器成為獨特的解決方案。 表明ST 電源產品的性能以及使用 32 位 STM32F0 MCU 實施的控制策略,在寬輸入電壓和負載條件下具有高效率、接近單位的功率因數和低 THD%。

►場景應用圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►核心技術優勢

 MCU控制提供了成本效益和設置靈活度  LED無閃爍可保持到0.5%亮度  可選擇類比或數位控制  符合IEC 61000-3-2,IEC55022 B 類 及WEEE 和 RoHS 合規

►方案規格

寬輸入電壓範圍 85 – 265 VAC • 過渡模式 PFC • 基於不同拓撲的兩個恆流輸出工作在轉換模式: – 降壓拓撲 – 反向降壓拓撲 • 輸出電流:500 mA ±2.5% – 輸出連接的 LED 數量:16 – 24 個白色 LED(每個 3.3 V) • PFC > 0.97 和 THD < 20% 滿負載,輸入電壓 85-265 VAC • 最大負載時的峰值效率 ≅ 90% • 全面的安全保護: – 開路/空載電路保護 – 短路/過載電路保護 • 軟啟動實施 • LED 調光範圍:0.5% 至 100% – 模擬調光 – 數字調光 • 調光控制選項: – 按鈕 – 0-10 V 輸入 • 符合 IEC55022 B 類 • WEEE 和 RoHS 合規

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