Design Overview
Das TIDA-01096 TI Design ist ein getestetes DC-DC-LED-Treibersubsystem für einstellbare, weiße LED-Leuchten. Das Design wurde auf einer drahtlosen System-on-Chip (SoC)-Plattform aufgebaut, die Intensitätsanpassung (Dimmung) und Steuerung der korrelierten Farbtemperatur (CCT) mit jedem Bluetooth Low Energy (BLE)-Gerät ermöglicht.
Key Innovation: Tunable-White-Leuchten simulieren Tageslichtbedingungen. Durch separate Warmweiß- und Kaltweiß-LED-Strings ermöglicht das Design die Farbtemperaturregelung, die eine angemessene zirkadiane Stimulation für Wellness-Anwendungen unterstützt.
Wichtige Leistungsdaten
Key Features & Benefits
Hocheffizienter Betrieb
98 % Wirkungsgrad bei 100 % bis 50 % Helligkeit mit Analog-Dimming, wodurch Energieverbrauch und Wärmeentwicklung in LED-Beleuchtungssystemen reduziert werden.
Erweiterte Dimmfunktionen
Kontrastverhältnis von 1:25 bei analoger Dimming und 1:50 bei PWM-Dimming, ermöglicht präzise Helligkeitssteuerung für verschiedene Beleuchtungsszenarien.
Wireless Bluetooth Control
Bluetooth Smart Connectivity ermöglicht die drahtlose Steuerung von Intensität und Farbtemperatur über Smartphones oder andere BLE-Geräte.
Umgebungslicht-Erkennung
OPT3001-basierte Lichtmessung ermöglicht Daylight Harvesting und Konstant-Lumen-Implementierungen in Software zur Energieeffizienzsteigerung.
Umfassender Schutz
Überstrom- und Übertemperaturschutz für Treiber und LED-Modul gewährleisten zuverlässigen Betrieb und verlängerte Lebensdauer.
Circadian Lighting Support
Abgestimmte Weißton-Funktion unterstützt Human Wellness-Anwendungen durch Simulation natürlicher Tageslichtbedingungen im Tagesverlauf.
Detaillierte Inhaltsübersicht
Dokumenteninhalt
Systemübersicht
Leuchtdioden (LEDs) werden zunehmend als Lichtquelle eingesetzt. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments verlagert sich der Fokus der Beleuchtung von der einfachen Ausleuchtung von Flächen mit konstanter Lichtleistung hin zur Bereitstellung qualitativ hochwertiger und steuerbarer Lichtabgabe. Hochwertige Beleuchtung mit einstellbarer Intensität und variabler Farbtemperatur spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufwertung von Architektur und menschlichem Wohlbefinden.
Um die Farbtemperatur von weißem Licht zu verändern, kann der Entwickler eine Kombination aus warmweißen LEDs (Farbtemperatur von etwa 2500 K) und kaltweißen LEDs (Farbtemperatur von etwa 5700 K) einsetzen. Justierbare, weiße Chip-on-Board (COB) LEDs sind mit zwei separaten Strängen erhältlich. Durch Veränderung des Stroms durch die Stränge kann der Entwickler Farbtemperaturen von 2500 K bis 5700 K erzeugen.
Die justierbare Weißlicht-LED-Einheit mit den Treibern kann als Plattform für zirkadiane Beleuchtung eingesetzt werden, die auf menschliches Wohlbefinden abzielt. Beleuchtung hat tiefgreifende Auswirkungen auf Schlaf, Wachsamkeit, Arbeitseffizienz und Gesundheit. Ein justierbares Weißlicht-LED-Beleuchtungssystem kann zur ordnungsgemäßen Aufrechterhaltung des zirkadianen Rhythmus verwendet werden, indem es die notwendige Menge an weißem Licht und warmem Licht bereitstellt, was das Wohlbefinden in Innenräumen verbessert.
Wichtige Systemleistungsmerkmale
| KENNWERTE | MIN | TYP | MAX | UNIT |
|---|---|---|---|---|
| Eingangsspannung | 35 | - | 42 | V |
| Ausgangsstrom (LED) | 0 | - | 700 | mA |
| Schaltfrequenz | - | 600 | - | kHz |
| PWM-Dimmfrequenz | 200 | - | 5000 | Hz |
| Warm-LED-Durchlassspannung | 34 | 37 | 40 | V |
| Kalt-LED-Durchlassspannung | 35 | 38 | 41 | V |
| Betriebstemperatur | -30 | - | 100 | °C |
Systemblockdiagramm
Die Systemarchitektur basiert auf dem SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kit, das zwei TPS92513HV Abwärtswandler-LED-Treiber für die warm- und kaltweißen LED-Strings steuert. Das Design umfasst:
- CC2650 Wireless MCU: Erzeugt PWM-Signale zur Helligkeitssteuerung und verwaltet die Bluetooth-Konnektivität
- TPS92513HV Buck-LED-Treiber: Zwei unabhängige Treiber für warme und kalte LED-Strings mit integrierter analoger Stromregelung
- OPA376 Operationsverstärker: Gepufferte gefilterte PWM-Signale zur analogen Dimmersteuerung
- OPT3001 Umgebungslichtsensor: Ermöglicht Daylight Harvesting und konstante Lumenleistung
- LMT84-Temperatursensor: Überwacht Kühlkörpertemperatur zum Zwecke des thermischen Schutzes
- RC-Tiefpassfilter: Umwandlung von PWM-Signalen in analoge Spannungen zur Einstellung des Stromreferenzwerts
Design-Hinweis: Das System akzeptiert 35-42V Gleichstromeingang und treibt eine 35W tunable white LED COB mit separaten Warmweiß- und Kaltweiß-LED-Strings an, ermöglicht Farbtemperatur-Einstellung von 2500K bis 5700K.
Hervorgehobene Komponenten
TPS92513HV
1,5-A Abwärtsstromregler mit integriertem MOSFET zum Treiben von Hochstrom-LEDs.
- Eingangsspannungsbereich von 4,5 bis 60 V
- ±5% LED-Stromgenauigkeit
- Schaltfrequenz von 100 kHz bis 2 MHz
- Dedicated PWM dimming input
- Integrierter High-Side-MOSFET mit 220 mΩ
CC2650
Drahtloser MCU für Bluetooth Smart-, ZigBee- und 6LoWPAN-Anwendungen.
- 32-Bit-ARM-Cortex-M3-Prozessor mit 48 MHz
- Ultra-niedrigleistungs-Sensorcontroller
- In ROM eingebetteter BLE-Controller
- 128 KB Flash, 20 KB SRAM
- Umfangreicher Peripheriesatz inklusive I²C, UART, SPI
OPT3001
Umgebungslichtsensor mit präziser optischer Filterung zur Anpassung an die menschliche Augenempfindlichkeit.
- Rejects >99% of IR
- Messbereich von 0,01 lux bis 83.000 lux
- 23-Bit effektiver Dynamikbereich
- Niedriger Betriebsstrom: 1,8 µA
- I²C-kompatible digitale Ausgabe
OPA376
Rauscharmes Operationsverstärker mit e-trim, der hervorragende DC-Präzision und AC-Leistung bietet.
- Geringes Rauschen: 7,5 nV/√Hz bei 1 kHz
- Geringe Offset-Spannung: typisch 5µV
- 5,5 MHz Verstärkungs-Bandbreitenprodukt
- Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang
- Versorgungsspannung von 2,2 V bis 5,5 V
LMT84
Präzisions-CMOS-Temperatursensor mit analoger Ausgangsspannung, die umgekehrt proportional zur Temperatur ist.
- Typische Genauigkeit von ±0,4°C
- Temperaturbereich von -50°C bis 150°C
- Niedriger Ruhestrom von 5,4 µA
- Durchschnittliche Sensorverstärkung von -5,5 mV/°C
- Niedriger Betriebsspannungsbereich von 1,5 V
System Design Theory
LEDs benötigen Konstantstromantrieb, und einstellbares Weißlicht erfordert die Variation und Regelung des Stroms in zwei separaten LED-Strings. Eine einstellbare weiße LED-Leuchte erfordert eine AC-DC-Konstantspannungsversorgung in Kombination mit zwei DC-DC-Abwärtsstromreglern, um den Strom durch die LED-Strings zu variieren.
Die TIDA-01096-Plattform verwendet zwei TPS92513HV-Abwärtswandler-LED-Treiber mit integrierter analoger Stromregelung zur Steuerung des Stroms durch warme und kalte LED-Strings. Die TPS92513/HV-LED-Treiber verfügen über separate Eingänge für analoge und Pulsweitenmodulation (PWM)-Dimmung, um eine kompromisslose Helligkeitssteuerung zu erreichen und Kontrastverhältnisse von über 100:1 zu erzielen.
Die Abwärtswandler-LED-Treiber werden vom SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kit gesteuert, das zwei PWMs für die PWM-Dimmung beider Strings erzeugt. Zur Realisierung der analogen Dimmung werden zwei variable analoge Eingänge benötigt, um den IADJ der Abwärtswandler-LED-Treiber einzustellen. Der variable IADJ wird unter Verwendung der PWM vom CC2650-Gerät als Digital-Analog-Umsetzer (DAC) abgeleitet. Dabei wird die vom CC2650-Gerät erzeugte PWM durch ein vierstufiges RC-Tiefpassfilter gefiltert, und das gefilterte Ausgangssignal wird mit dem Operationsverstärker OPA376 gepuffert.
Design Equations
Der Entwurf umfasst umfassende Berechnungen für:
- Unterspannungsausschaltschwelle: Mit R1=120kΩ und R6=5kΩ wird die UVLO auf 30,5V eingestellt.
- Schaltfrequenz: RRT=190,63kΩ legt fSW=600kHz fest.
- Einstellung des LED-Stroms: RISENSE=0,05Ω für maximalen LED-Strom von 700mA
- Analog-Dimming-Filter: Vierstufiger RC-Filter mit Grenzfrequenz von 391Hz
- Auswahl der Induktivität: Berechnet für 275mA Welligkeitsstrom bei Volllast
- Ausgangskondensator: 4,7 μF gewählt, um einen LED-Ripplestrom von 5 mA zu erreichen
Dimmtechniken
Das Design implementiert drei verschiedene Dimmmethoden, um Flexibilität zu bieten und die Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu optimieren:
Analog Dimming
Verwendung des IADJ-Pins zur dynamischen Einstellung des LED-Stroms. Effizienter mit weniger EMI, kann jedoch bei sehr niedrigen Strömen zu Farbtemperaturschwankungen führen.
- Verwendet PWM, gefiltert durch 4-stufigen RC-Filter
- Bietet 12-Bit-Auflösung
- Höherer Wirkungsgrad: bis zu 98%
- Kontrastverhältnis 1:25
PWM-Dimmung
Verwendung des PDIM-Pins zum Aktivieren/Deaktivieren des Treibers. Vermeidet Farbtemperaturprobleme bei niedrigen Strömen und bietet höhere Auflösung.
- Frequenzbereich von 200 Hz bis 5 kHz
- Direkte Steuerung des Gate-Treibers
- Bessere Dimmlinearität bei niedrigen Strömen
- 1:50 Kontrastverhältnis
Hybrid Dimming
Kombiniert beide Methoden - analog für Effizienz und PWM zur Feineinstellung und besseren Auflösung bei niedrigen Strömen.
- Optimiert Effizienz und Auflösung
- Analog für den Hauptdimmbereich
- PWM für Feineinstellung bei niedrigen Strömen
- Kombination beider Verfahren
Flimmerfreier Betrieb: Durch Änderung des Strommesswiderstands von 50mΩ auf 250mΩ kann die Schaltung flimmerfreien Betrieb bis hinab zu 6mA Ausgangsstrom erreichen, was hochwertige Beleuchtung selbst bei sehr niedrigen Helligkeitsstufen ermöglicht.
Test Data & Performance
Umfassende Tests belegen die hervorragende Leistung des Designs unter verschiedenen Betriebsbedingungen:
Effizienzleistung
- Analog Dimming: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- PWM Dimming (1kHz): 97,39 % Wirkungsgrad bei 100 % Einschaltdauer, der allmählich auf 84,88 % bei 3 % Einschaltdauer abnimmt
- PWM-Dimmung (5 kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Eingangsspannungsvariation: Wirkungsgrad bleibt über 97 % im Eingangsspannungsbereich von 35 V bis 48 V
Tunable White Performance
Das System erhält effizient die Farbtemperaturregelung über verschiedene Helligkeitsstufen hinweg:
- 100% Helligkeit: Systemeffizienz liegt zwischen 97,27% (kaltweiß) und 98,15% (warmweiß)
- 75% Helligkeit: Der Wirkungsgrad liegt je nach Farbtemperatur zwischen 97,24 % und 98,01 %.
- 50 % Helligkeit: Der Wirkungsgrad liegt über den Abstimmbereich bei 97,18 % bis 98,31 %.
Sensorleistung
- OPT3001 Umgebungslichtsensor: Liefert präzise Lux-Messwerte von 2,57 Lux bis 12.902 Lux
- LMT84-Temperatursensor: Überwacht Kühlkörpertemperaturen von 36,21°C bis 61,60°C unter verschiedenen Lastbedingungen
Design Files & Resources
Das komplette Designpaket enthält alle für die Implementierung notwendigen Dateien:
- Schematics: Komplette Schaltpläne für das LED-Treibersystem
- Stückliste: Umfassende Teileliste mit Herstellerreferenzen
- PCB-Layout: Gerber-Dateien und Layout-Empfehlungen
- Altium-Projekt: Vollständige Design-Projektdateien
- Montagezeichnungen: Detaillierte Montageanleitungen
- Software-Dateien: Firmware für CC2650 MCU mit BLE-Konnektivität
Anwendungsbereiche: Dieses Referenzdesign ist ideal für Innenraum-LED-Beleuchtung (Wohnbereich, Einzelhandel, Gastgewerbe, Akzentbeleuchtung), drahtlose vernetzte Beleuchtungssysteme sowie Niedervolt-Gleichstrom-LED-Beleuchtungsanwendungen, die präzise Farbtemperaturregelung und drahtlose Konnektivität erfordern.
Hinweis: Dies ist eine umfassende Zusammenfassung des Referenzdesigns. Das vollständige PDF-Dokument enthält detaillierte Schaltpläne, Layoutrichtlinien, Firmware-Implementierungsdetails und umfangreiche Testdaten. Wir empfehlen, das vollständige PDF für vollständige Implementierungsdetails herunterzuladen.