NFC無線靈活配置LED驅動電源

1.      引言

本文給讀者帶來一種高效、新穎的LED驅動電源配置方法：基于近場通信技術（NFC）的無線靈活配置方法。

LED照明燈具的規(guī)格多種多樣，帶來繁多的驅動電源規(guī)格，給設計、生產(chǎn)、銷售、使用也帶來了諸多的不便。為了減少這種不便，工程師們一直致力設計可以靈活配置輸出電流的、更通用的驅動電源平臺，使得同一電源能適配不同功率，不同亮度的LED燈具。從而減少驅動電源的種類，縮短開發(fā)周期，降低庫存，縮短交貨時間。如有需要，最終用戶也可以重新配置驅動電源來適配LED燈具。

最為傳統(tǒng)的配置方法是采用不同電阻值來配置（撥碼開關方式產(chǎn)生多種組合），需要接觸操作。并且，此方法受制于電阻的阻值限制，一般只能設置幾個電流檔位，應用彈性少，功能單一。可以解決以上問題的NFC近場通信技術被創(chuàng)新地應用于LED電源，并逐步成為標準配置。

2.      NFC技術應用在LED電源上

NFC是一種成熟的近距離無線通信技術，多年來已經(jīng)被廣泛地用于交通卡、銀行卡、身份證、智能門鎖等等。

NFC應用時有發(fā)射端和接收端，都內置有天線，接收端可以無需額外電源供電。工作時，發(fā)射端發(fā)射頻率為13.56MHz的信號，較近的距離下接收端接收到此信號，并轉換為電能為接收端供電，同時進行解碼獲得信息、修改信息以及進行反向傳輸，最終實現(xiàn)信息交換。

可以設想如圖一所示，如果將一個接收端IC設計在LED電源上，就可以使用手機或者一個發(fā)射設備將需要配置的信息非接觸地發(fā)送并寫到LED電源上，LED電源根據(jù)這個信息輸出不同的電流，甚至根據(jù)工作時長進行光衰補償。

如果這個IC內部有足夠的空間，就可以用來存儲更多的信息。通過讀寫設備將需要資料（如品牌，序列號等）寫進去或讀取出來，方便維護管理。

圖一：典型NFC應用示意圖

3.      英飛凌的LED電源專用NFC控制芯片

基于以上的理念，英飛凌開發(fā)出專用于LED驅動電源的NFC控制芯片NLM0010和NLM0011，封裝是非常緊湊的SOT-23，5腳封裝，內建了豐富的功能。既可以在出廠前設置，也可以在終端客戶安裝前根據(jù)不同的光源設置，極大地簡化了設計和使用。

如圖二所示 NFC IC直接控制初級主控IC，在LED 電源不接交流電源的情況下，通過讀寫設備將需要配置的參數(shù)信息發(fā)射出來， NFC控制芯片通過天線接收電能以維持自身工作，收到并且將其中的目標信息存儲在內部存儲器中。NFC控制芯片的信息也可反向地向讀寫設備傳送，以獲得以配置的參數(shù)信息。當LED驅動電源上電開機后，會給NFC控制芯片供電，內部根據(jù)已經(jīng)存儲在寄存器的信息通過計算轉換為PWM信號輸出至LED驅動控制器，控制輸出電流從而改變LED的亮度。 

圖二：NFC初級（原邊）控制示意圖 

如圖三所示 NFC控器芯片可以直接控制次級主控IC，ILD8150(E)是一顆DC/DC LED驅動控制器，NFC 控制芯片的PWM 輸出直接連接到ILD8150(E)的DIM腳，實現(xiàn)更簡單的輸出電流控制。

圖三：NFC 次級(副邊)控制示意圖

英飛凌的NFC控制芯片提供了更加豐富的功能：

·        電流設置精細、靈活，而傳統(tǒng)的撥碼開關設置受制于電阻的阻值限制，一般只能設置幾個電流檔位。

ü  采用27MHz的內部時鐘,即使采用10kHz的PWM 頻率，分辨率依然可以做到1/2700, 也就是說可以設置2700個不同的輸出。

ü  內置2.8V輸出精密穩(wěn)壓也有利于抑制因為VCC電源波動帶來的額外誤差。

ü  因為采用靈活的數(shù)字控制，可以通過生產(chǎn)過程中的輸出電流校準使實際輸出電流更接近目標輸出電流，并且可以采用比較大誤差的穩(wěn)壓電路以降低成本，芯片內可以記錄驅動電源的開關次數(shù)及其工作時長，可以通過NFC讀寫設備獲得此信息為產(chǎn)品維護和優(yōu)化提供方便。

·         其中NLM0011更內置了CLO（恒定流明輸出）,可以根據(jù)LED光源的光衰特性動態(tài)調整驅動電流，達到恒定流明輸出的目的，即光衰補償。

4.      NLM0010/11的簡易應用設計

這兩個IC的使用非常簡易，硬件電路主要涉及IC的輸出信號設計、Vcc的設計和天線設計。

·        適配調光信號的設計

當LED控制IC使用PWM作為調光信號時：可直接將NFC控制芯片的輸出PWM信號輸出至LED控制IC的調光腳，如圖四所示。

圖四：輸出直接連接調光IC調光腳

當LED控制IC使用直流電壓作為調光信號時，NFC控制芯片的輸出需要通過電阻和電容將PWM信號轉換成直流電壓，作為調光信號，如圖五所示。

圖五：輸出加RC濾波再連接至控制電路

·        需要記錄開關次數(shù)和工作時長的設計

對于需要用到工作時長記錄或開關次數(shù)記錄的應用，關機后IC仍然需要足夠的能量才能維持工作以保證數(shù)據(jù)的正確寫入。這種情況下，Vcc腳需要外接一顆額外的22uF電容儲能。另外需要確保Vcc供電電壓范圍在3.3-5.0V, 極限范圍3.0-5.5V，大多數(shù)情況下可以采用線性穩(wěn)壓方案。如圖六所示，通過穩(wěn)壓電路較為精確的穩(wěn)壓，或采用圖七所示的更簡單、更低成本的電阻加穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓方案。

·        小面積天線的設計

ü  這兩款芯片內部已經(jīng)集成了一顆典型值23.5pF的電容，只需要連接一個一定感量（使得諧振頻率為13.56MHz左右）的天線即可；需要微調的話，也可外接電容。天線可以直接在繪制在PCB上，單面板或雙面都可以。20mm*20mm內的天線大小基本可以滿足需要。

圖八：IC內置23.5pF電容

ü  天線設計時可以借助英飛凌提供的Excel 計算工具計算PCB天線電感， 拿到PCB實物后有條件的可以用網(wǎng)絡分析儀測試實際電感量，或者裝上元件做實際通訊測試， 并根據(jù)測試結果調整外接電容的容量以實現(xiàn)最好的通訊質量。

另外，開發(fā)或使用時需要用到讀寫設備，請使用英飛凌推薦的型號。如果需要自主開發(fā)控制軟件，可以參考英飛凌NLM0010或NLM0011的應用注解。

評估或開發(fā)初期也可以直接使用英飛凌提供的可以用于安卓系統(tǒng)的APK，使用帶NFC功能安卓手機就可以進行測試。 圖九所示的是配置界面，可以配置PWM頻率、最大占空比等，顯示工作時長、開關次數(shù)等。圖十是在手機端可查看到的內部存儲的數(shù)據(jù)。

5.      應用實例

如圖十一所示，NFC控制芯片和天線被設計在同一塊小PCB上，此PCB的長寬只有2.5cm和1.5cm。插在LED驅動電源主板的次級電路上，占板空間非常小。實現(xiàn)了無接觸的無線參數(shù)配置。這個設計需要通過R+C將NFC 的PWM輸出電壓轉為直流電壓，然后利用運算放大器將其與電流采樣電阻上的電壓比較，通過反饋電路實現(xiàn)NFC設置的目標輸出電流。

圖十一：應用實例

6.      結論

NFC芯片在LED 電源的應用大大增加了電流設置的靈活性， 與電阻設置或編碼設置相比具有無可比擬的優(yōu)越性，可以完全取代不方便的接觸式撥碼設計，在LED 電源中的應用必將越來越多。英飛凌的NLM0010和NLM0011以其小體積（SOT23-5）,極為簡單的電路，極具價值的開關次數(shù)統(tǒng)計和工作時長計數(shù)或光衰補償功能，收到越來越多客戶的使用。