STLUX385A：革命性的照明數(shù)字控制器

　　LED燈是在上個(gè)世紀(jì)30年代中期高壓鈉燈問世后近80年來最具顛覆性的照明技術(shù)，LED燈引起廣泛關(guān)注的原因不只是能效高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保，還因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED">LED燈比白熾燈或氙燈更好控制。

　　“數(shù)字”控制器已步入功率轉(zhuǎn)換時(shí)代的主流，在很多情況下，LED驅(qū)動(dòng)器采用微控制器控制供電時(shí)序以及跟蹤、檢測(cè)、保護(hù)和通信功能。但是，這并不是真正的數(shù)字控制器解決方案，而是數(shù)字式檢測(cè)和電源管理。只有以數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)控制回路，才能稱為真正的數(shù)字控制器。圖1所示是經(jīng)典數(shù)字控制結(jié)構(gòu)框圖1。

　　圖1: 經(jīng)典數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)框圖

　　這個(gè)經(jīng)典數(shù)字控制方法讓經(jīng)典模擬過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，確保轉(zhuǎn)換器穩(wěn)壓精確，工作穩(wěn)定，但是需要微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，以適應(yīng)模擬轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能變化。通常情況下，數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)計(jì)算是在Z區(qū)完成，該區(qū)對(duì)數(shù)字控制器的處理能力要求很高。此外，數(shù)字控制器還需要新的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而模擬工程師掌握的模擬控制法則穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)并不能直接用到數(shù)字控制器。因此，經(jīng)典數(shù)字控制器的成本較高，而且積累數(shù)字控制器設(shè)計(jì)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)是一個(gè)很長(zhǎng)的過程。

　　意法半導(dǎo)體采用一個(gè)與經(jīng)典方法完全不同的創(chuàng)新方法，引入一個(gè)狀態(tài)機(jī)概念來解決數(shù)字控制問題，利用事件、電流、電壓或時(shí)間驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)，無需執(zhí)行傳遞函數(shù)計(jì)算。事件驅(qū)動(dòng)式狀態(tài)機(jī)模塊(SMED)就是這個(gè)概念的實(shí)現(xiàn)形式，每個(gè)狀態(tài)機(jī)有4種狀態(tài)，通過96MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。在狀態(tài)機(jī)的3個(gè)輸入中，每個(gè)輸入都可指定為1個(gè)條件，代表一種狀態(tài)變化，如圖 2所示。

　　圖 2. SMED結(jié)構(gòu)框圖

　　下面示例是一個(gè)基于狀態(tài)機(jī)(SMED)的過渡模式恒定導(dǎo)通時(shí)間升壓PFC電路。

　　圖3. 基于事件驅(qū)動(dòng)式狀態(tài)機(jī)(SMED)的升壓功率因數(shù)校正器

　　圖4. 恒定導(dǎo)通時(shí)間升壓功率校正器狀態(tài)變化

　　共計(jì)有4種狀態(tài)：S0, S1, S2, S3。空閑是上電期間的一種變化狀態(tài)，復(fù)位后，空閑狀態(tài)過渡至導(dǎo)通時(shí)間最短的S0狀態(tài)。在S0狀態(tài)，柵信號(hào)是高電平，MOSFET導(dǎo)通，內(nèi)部定時(shí)器將開始計(jì)時(shí)，在最短導(dǎo)通時(shí)間(Ton-min)到時(shí)后，S0狀態(tài)過渡到導(dǎo)通時(shí)間正常的S1狀態(tài)，如果操作正常，柵信號(hào)保持高電平直到Ton到時(shí)為止，若在Ton到時(shí)前出現(xiàn)任何過流情況，事件0(檢測(cè)電流Is送來的過流)觸發(fā)狀態(tài)機(jī)過渡到關(guān)斷時(shí)間最短的S2狀態(tài)。在S2狀態(tài)，柵信號(hào)為低電平，MOSFET關(guān)斷。在最短關(guān)斷時(shí)間到時(shí)后，狀態(tài)機(jī)從S2過渡到關(guān)斷時(shí)間正常的S3狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)，過零信號(hào)(ZCD)或最大關(guān)斷時(shí)間觸發(fā)狀態(tài)機(jī)從S3過渡到S0狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)變化過程周而復(fù)始，無需微控制器干預(yù)。

　　SMED狀態(tài)機(jī)的設(shè)置非常靈活，適用于升壓、降壓、半橋、全橋轉(zhuǎn)換器等所有拓?fù)洌O(shè)計(jì)人員可以按照自己的控制算法隨意定義狀態(tài)。

　　SMED功率轉(zhuǎn)換器控制概念徹底顛覆了功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字控制方法，基于SMED的控制器STLUX385A榮獲了2014年消費(fèi)電子展創(chuàng)新獎(jiǎng)。

　　STLUX385A[2]集成6個(gè)SMED和1個(gè)低成本的8位微控制器，低成本微控制器可執(zhí)行低速控制、檢測(cè)和通信功能，下圖所示是STLUX385A結(jié)構(gòu)框圖：

　　圖5：STLUX385A結(jié)構(gòu)框圖

　　我們使用STLUX385A開發(fā)出一個(gè)100 W LED路燈參考設(shè)計(jì)[3]，在這個(gè)參考設(shè)計(jì)內(nèi)，STLUX385A芯片處理一個(gè)次側(cè)控制式功率轉(zhuǎn)換級(jí)，以及所有的通信連接。功率轉(zhuǎn)換級(jí)包括PFC穩(wěn)壓器、零壓開關(guān)(ZVS)和LC諧振級(jí)?？刂聘呔茸児馐鞘褂靡粋€(gè)一次側(cè)調(diào)整(PSR)控制方法。

　　演示板提供所有的重要的物理通信接口，例如， DALI (數(shù)字尋址照明接口)，所有的通信都是由STLUX385A管理。STLUX385A的靈活性還讓演示板輕松連接其它接口，例如，Wi-Fi、電力線調(diào)制解調(diào)器、Bluetooth® 和ZigBee®。

　　STLUX385A是世界首個(gè)照明和功率轉(zhuǎn)換通用數(shù)字控制器，為經(jīng)濟(jì)型高能效家用、辦公和路燈照明系統(tǒng)鋪平了道路。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] Ericsson Digital Power Compendium, www.digitalpowercompendium.com

　　[2] STLUX385A datasheet, www.st.com

　　[3] STEVAL-ILL066V1, 100 W LED street lighting evaluation board using STLUX385A, www.st.com