工程師分享：數(shù)字LED驅(qū)動的街道照明系統(tǒng)
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為了通過降低正向電壓解決熱漂移問題，提高系統(tǒng)總體能效，通過PWM和/或模擬調(diào)光技術(shù)控制亮度，獲得防失效管理和過熱控制功能，照明系統(tǒng)對具有特定控制功能的LED驅(qū)動器的需求不斷提高。如果給建筑照明和街道照明等應(yīng)用增加價值，還需要在LED驅(qū)動器內(nèi)增加遙控功能。
因為大功率因數(shù)交流-直流變流器能夠把電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)換成更高的輸入直流電壓，所以普通照明LED驅(qū)動器通常采用標(biāo)準(zhǔn)降壓拓撲，這種驅(qū)動器基于集成一個功率開關(guān)的模擬單片解決方案，最大輸出電流達到 350mA。如果電壓高于50/60V，因為芯片技術(shù)限制，單片解決方案將無法勝任。 很多照明平臺需要那些使用多個驅(qū)動器的多路輸出系統(tǒng)，而這將會增加系統(tǒng)架構(gòu)和版圖設(shè)計的復(fù)雜性，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)計成本增加。
標(biāo)準(zhǔn)解決方案的主要應(yīng)用限制與基于并聯(lián)電阻器和內(nèi)部比較器的電流檢測方法有關(guān)。比較器把從靈敏電阻器回饋的電流與內(nèi)部參考電流值進行比較，然后產(chǎn)生一個用于控制柵極驅(qū)動電路的輸出信號。這個常用的模擬控制方法實現(xiàn)了對峰流的控制，因為LED光色漂移在很多要求嚴格的照明應(yīng)用領(lǐng)域是不準(zhǔn)許的，所以這種方法并不是高品質(zhì)照明的最佳解決方案。
1 創(chuàng)新的LED驅(qū)動器
意法半導(dǎo)體提出一個能夠滿足照明要求的高成本效益的街道照明平臺解決方案。該方案具有優(yōu)異的性能、超高能效（全負荷時總體能效大于91%）、完整的防失效管理（過流保護、過壓保護和短路保護）功能。該平臺由兩大部分組成：電源部分與電流控制器。其中，電流控制器是一個數(shù)字電流控制器。電源電路的最大輸出功率達到130W （48V，2.7A），該電路由兩級電路組成：基于L6562AT的前端功率因數(shù)校正器（PFC）和基于L6599AT的LLC諧振轉(zhuǎn)換器。
這個設(shè)計的特點如下：
a 擴展的歐洲輸入交流電壓范圍 （177 ÷ 277 VAC – 頻率 45 ÷ 55 Hz）
b 超高能效（全負載是93.85%）免除了對散熱器的需求
c 無電解電容器，長久可靠
d 符合EN61000-3-2 Class-C （交流諧波）、EN55022-Class-B（EMI）和EN60950的雙絕緣 （SELV）標(biāo)準(zhǔn)
電流控制器的核心是采用一個以地線為參考的電流檢測方法，這個算法是由一個通用微控制器實現(xiàn)的，能夠調(diào)整反向降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流。該解決方案無需差分放大器或誤差放大器，更不需要網(wǎng)絡(luò)濾波器以及其它的外部無源器件。
LED廠商建議通過控制正向電流使發(fā)光二極管保持額定的光通量和特定的色溫。鑒于LED的亮度與正向電流值成正比，這個控制方法是最佳的LED電源解決方案。此外，LED的正向電壓與輸出功率受到結(jié)溫的嚴格限制，特別是大功率LED更是如此；結(jié)溫是眾所周知的影響質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)。準(zhǔn)確地說，隨著結(jié)溫升高，正向電壓與輸出功率會逐漸降低，熱漂移會導(dǎo)致臨界電流升高。
為了通過降低正向電壓解決熱漂移問題，提高系統(tǒng)總體能效，通過PWM和/或模擬調(diào)光技術(shù)控制亮度，獲得防失效管理和過熱控制功能，照明系統(tǒng)對具有特定控制功能的LED驅(qū)動器的需求不斷提高。如果給建筑照明和街道照明等應(yīng)用增加價值，還需要在LED驅(qū)動器內(nèi)增加遙控功能。
因為大功率因數(shù)交流-直流變流器能夠把電網(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)換成更高的輸入直流電壓，所以普通照明LED驅(qū)動器通常采用標(biāo)準(zhǔn)降壓拓撲，這種驅(qū)動器基于集成一個功率開關(guān)的模擬單片解決方案，最大輸出電流達到 350mA。如果電壓高于50/60V，因為芯片技術(shù)限制，單片解決方案將無法勝任。 很多照明平臺需要那些使用多個驅(qū)動器的多路輸出系統(tǒng)，而這將會增加系統(tǒng)架構(gòu)和版圖設(shè)計的復(fù)雜性，結(jié)果導(dǎo)致設(shè)計成本增加。
標(biāo)準(zhǔn)解決方案的主要應(yīng)用限制與基于并聯(lián)電阻器和內(nèi)部比較器的電流檢測方法有關(guān)。比較器把從靈敏電阻器回饋的電流與內(nèi)部參考電流值進行比較，然后產(chǎn)生一個用于控制柵極驅(qū)動電路的輸出信號。這個常用的模擬控制方法實現(xiàn)了對峰流的控制，因為LED光色漂移在很多要求嚴格的照明應(yīng)用領(lǐng)域是不準(zhǔn)許的，所以這種方法并不是高品質(zhì)照明的最佳解決方案。
1 創(chuàng)新的LED驅(qū)動器
意法半導(dǎo)體提出一個能夠滿足照明要求的高成本效益的街道照明平臺解決方案。該方案具有優(yōu)異的性能、超高能效（全負荷時總體能效大于91%）、完整的防失效管理（過流保護、過壓保護和短路保護）功能。該平臺由兩大部分組成：電源部分與電流控制器。其中，電流控制器是一個數(shù)字電流控制器。電源電路的最大輸出功率達到130W （48V，2.7A），該電路由兩級電路組成：基于L6562AT的前端功率因數(shù)校正器（PFC）和基于L6599AT的LLC諧振轉(zhuǎn)換器。
這個設(shè)計的特點如下：
a 擴展的歐洲輸入交流電壓范圍 （177 ÷ 277 VAC – 頻率 45 ÷ 55 Hz）
b 超高能效（全負載是93.85%）免除了對散熱器的需求
c 無電解電容器，長久可靠
d 符合EN61000-3-2 Class-C （交流諧波）、EN55022-Class-B（EMI）和EN60950的雙絕緣 （SELV）標(biāo)準(zhǔn)
電流控制器的核心是采用一個以地線為參考的電流檢測方法，這個算法是由一個通用微控制器實現(xiàn)的，能夠調(diào)整反向降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流。該解決方案無需差分放大器或誤差放大器，更不需要網(wǎng)絡(luò)濾波器以及其它的外部無源器件。
該反向降壓拓撲的模式為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），選擇CCM模式的原因是反向降壓拓撲的功率開關(guān)與地線相連，而不是像標(biāo)準(zhǔn)降壓拓撲那樣連接上橋臂開關(guān)。因此，在這個解決方案中，可直接使用微控制器驅(qū)動一個邏輯電平（5V）或超邏輯電平（3.3V）功率開關(guān)，無需任何柵極驅(qū)動級，這使總體解決方案變得簡單且成本低廉。圖1所示是完整的照明解決方案。
靈活性是這個解決方案的研發(fā)目的，從低功率、低壓到大功率、高壓，該解決方案可單獨驅(qū)動最多16個輸出通道。意法半導(dǎo)體擁有街道照明專用產(chǎn)品組合，因此，該解決方案讓設(shè)計人員只使用一個拓撲就能覆蓋各種不同的LED驅(qū)動系統(tǒng)。
2 均流檢測：專用的微控制器外設(shè)
電流控制是這個平臺的與眾不同之處。該解決方案利用微控制器外設(shè)（高分辨率定時器和快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器）來管理電流控制過程。觸發(fā)器/時鐘控制器是定時器架構(gòu)的組件之一，模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)電路是觸發(fā)器/時鐘控制器內(nèi)置的一個特殊功能，通過TRGO信號可以管理模數(shù)轉(zhuǎn)換器的四個觸發(fā)信源事件 （Reset, Enable, Up/Down, Count）。
在這個架構(gòu)內(nèi)有一個與PWM周期中心對準(zhǔn)的三角形載波，當(dāng)達到最大計算值時，該三角形載波利用TRGO信號觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這個最大值正好是導(dǎo)通時間（Ton/2）波形周期的中間。
如果能夠保證連續(xù)導(dǎo)通模式運行，這個觸發(fā)操作與隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程將會計算出均流值，而不是在電流增大期間通過軟件處理過程來估算均流，如圖2b所示。
圖2:a） 在導(dǎo)通期間（Ton）的LED電流； b） 在Ton/2期間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)操作
這個觸發(fā)功能嵌入在定時器架構(gòu)內(nèi)，因為在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能夠用于電流回路通過標(biāo)準(zhǔn)PI控制器調(diào)整電流前，轉(zhuǎn)換操作都是由軟件管理的，所以不會給CPU增加負荷。
此外，Ton/2電流值不受開關(guān)操作的影響（圖3a），因為沒有阻容濾波器引起的延時，所以電流檢測精度不再是問題。具有PWM調(diào)光功能的電流調(diào)整波形如 3b所示。
圖3:a） LED電流（綠色波形）和并聯(lián)變阻器上的電壓（紫紅色波形）； b） LED燈串上的均流控制
一旦轉(zhuǎn)換操作結(jié)束，電流控制立即逐個通道地每3個PWM周期執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)處理程序（End Of Conversion Interrupt Service Routine），以確保適合的控制器帶寬。為最大限度地減少因控轉(zhuǎn)換時間造成的通道之間電流失匹，當(dāng)控制器對其中一個通道進行轉(zhuǎn)換和調(diào)整操作時，同時還利用不同的采樣時間控制其余的通道。
為了在白天改變輸出光通量，調(diào)整照明系統(tǒng)的總體亮度，該平臺還在LED整流電路內(nèi)增加調(diào)光功能。
為了全面地分析采用反向降壓轉(zhuǎn)換器拓撲實現(xiàn)的數(shù)字電流控制器，圖4對能效與電流負載進行了對比分析。在全負載時，四條通道可實現(xiàn) 97%的總能效，這可滿足主要的節(jié)能要求。
圖4：能效曲線
最后，過壓保護、過流保護和LED短路保護（有維修人員檢修的應(yīng)用情景）進一步完善了這個街道照明平臺的性能和市場競爭力。
3 結(jié)語
該平臺的優(yōu)點包括：可以輕松實現(xiàn)1到16路輸出通道，用軟件和靈活的數(shù)字控制器控制的1W、3W或大功率LED的電源模塊，為可調(diào)光的多燈串架構(gòu)的高能效街道照明系統(tǒng)提供最佳的解決方案。
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