Descripción General del Diseño
El Diseño TIDA-01096 de TI es un subsistema probado de drivers LED DC-DC para luminarias LED blancas regulables. El diseño se ha construido sobre una plataforma inalámbrica system-on-chip (SoC), que permite el ajuste de intensidad (atenuación) y el control de temperatura de color correlacionada (CCT) utilizando cualquier dispositivo Bluetooth low energy (BLE).
Innovación Clave: Las luminarias sintonizables de blanco simulan condiciones de luz diurna. Con cadenas de LED cálido y frío separadas, el diseño permite el ajuste de CCT, lo que ayuda a lograr una estimulación circadiana adecuada para aplicaciones de bienestar humano.
Especificaciones Clave de Rendimiento
Key Features & Benefits
Operación de Alta Eficiencia
98% de eficiencia entre 100% y 50% de brillo con regulación analógica, reduciendo el consumo energético y la generación de calor en sistemas de iluminación LED.
Capacidades Avanzadas de Regulación
Relación de contraste 1:25 con regulación analógica y 1:50 con regulación PWM, proporcionando control de brillo preciso para diversos escenarios de iluminación.
Control Inalámbrico por Bluetooth
La conectividad Bluetooth Smart permite el control inalámbrico de intensidad y temperatura de color mediante smartphones u otros dispositivos BLE.
Detección de Luz Ambiental
La medición de luz basada en OPT3001 permite la implementación de aprovechamiento de luz natural y lumen constante mediante software para eficiencia energética.
Protección Integral
La protección contra sobrecorriente y sobretemperatura para el driver y el módulo LED garantiza un funcionamiento confiable y una vida útil prolongada.
Soporte para Iluminación Circadiana
La capacidad de blanco ajustable respalda aplicaciones de bienestar humano mediante la simulación de condiciones de luz natural a lo largo del día.
Resumen Detallado del Contenido
Contenido del Documento
Descripción General del Sistema
Los diodos emisores de luz (LEDs) se utilizan cada vez más como fuente de iluminación. En el momento de redactar este documento, el enfoque de la iluminación está cambiando de simplemente iluminar áreas con una salida de luz constante a proporcionar una salida de luz controlada y de calidad. La iluminación de alta calidad con intensidad ajustable y temperatura de color regulable desempeña un papel clave en la mejora de la arquitectura y el bienestar humano.
Para modificar la temperatura de color de la luz blanca, el diseñador puede implementar una combinación de LED cálidos (temperatura de color de aproximadamente 2500 K) y LED fríos (temperatura de color de aproximadamente 5700 K). Existen LED blancos ajustables de tipo chip-on-board (COB) con dos circuitos independientes. Al variar la corriente que circula por los circuitos, el diseñador puede generar temperaturas de color desde 2500 K hasta 5700 K.
El motor de LED blancos regulables con sus drivers puede utilizarse como plataforma para iluminación circadiana, orientada al bienestar humano. La iluminación ejerce un profundo efecto sobre el sueño, el estado de alerta, la eficiencia laboral y la salud. Un sistema de iluminación regulable con LED blancos puede emplearse para mantener adecuadamente el ritmo circadiano, proporcionando la cantidad necesaria de luz blanca y cálida que mejora el bienestar en entornos interiores.
Especificaciones Clave del Sistema
| PARÁMETROS | MIN | TÍP | MÁX | UNID |
|---|---|---|---|---|
| Tensión de entrada | 35 | - | 42 | V |
| Corriente de salida (LED) | 0 | - | 700 | mA |
| Frecuencia de conmutación | - | 600 | - | kHz |
| Frecuencia de atenuación PWM | 200 | - | 5000 | Hz |
| Voltaje directo de LED cálido | 34 | 37 | 40 | V |
| Voltaje directo de LED en frío | 35 | 38 | 41 | V |
| Temperatura de funcionamiento | -30 | - | 100 | °C |
Diagrama de Bloques del Sistema
La arquitectura del sistema se construye alrededor del kit SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, que controla dos drivers de LED reductor TPS92513HV para las cadenas de LED cálido y frío. El diseño incluye:
- CC2650 Wireless MCU: Genera señales PWM para control de atenuación y gestiona conectividad Bluetooth
- TPS92513HV Buck LED Drivers: Dos controladores independientes para cadenas de LED cálidas y frías con ajuste analógico de corriente integrado
- OPA376 Op-Amps: Buffer de señales PWM filtradas para control de atenuación analógica
- OPT3001 Ambient Light Sensor: Permite la recolección de luz diurna y salida de lúmenes constante
- Sensor de Temperatura LMT84: Supervisa la temperatura del disipador térmico para protección contra sobrecalentamiento
- Filtros Pasa-Bajos RC: Convertir señales PWM a voltajes analógicos para el ajuste de referencia de corriente
Nota de Diseño: El sistema acepta entrada de CC de 35-42V y acciona un LED COB blanco ajustable de 35W con cadenas separadas de LED cálido y frío, permitiendo ajuste de temperatura de color de 2500K a 5700K.
Componentes Destacados
TPS92513HV
Regulador de corriente reductor (buck) de 1.5 A con MOSFET integrado para impulsar LEDs de alta corriente.
- Rango de voltaje de entrada de 4.5-60V
- Precisión de corriente LED de ±5%
- Frecuencia de conmutación de 100kHz a 2MHz
- Entrada dedicada para atenuación PWM
- MOSFET de lado alto integrado de 220 mΩ
CC2650
Microcontrolador inalámbrico para aplicaciones Bluetooth Smart, ZigBee y 6LoWPAN.
- Procesador ARM Cortex-M3 de 32 bits a 48 MHz
- Controlador de sensores de ultra bajo consumo
- Controlador BLE integrado en ROM
- 128 KB de Flash, 20 KB de SRAM
- Conjunto completo de periféricos que incluye I²C, UART, SPI
OPT3001
Sensor de luz ambiental con filtrado óptico de precisión que se ajusta a la respuesta del ojo humano.
- Rejects >99% of IR
- Rango de medición de 0.01 lux a 83k lux
- Rango dinámico efectivo de 23 bits
- Corriente de operación baja: 1.8µA
- Salida digital compatible con I²C
OPA376
Amplificador operacional de bajo ruido con e-trim, que ofrece una excelente precisión de corriente continua y rendimiento de corriente alterna.
- Bajo ruido: 7.5 nV/√Hz a 1 kHz
- Baja tensión de offset: 5µV típico
- Producto de ancho de banda de ganancia de 5.5 MHz
- Entrada y salida rail-to-rail
- Voltaje de alimentación de 2.2V a 5.5V
LMT84
Sensor de temperatura CMOS de precisión con salida de voltaje analógico inversamente proporcional a la temperatura.
- Precisión típica de ±0,4°C
- Rango de temperatura de -50°C a 150°C
- Corriente de reposo baja de 5.4 µA
- Ganancia promedio del sensor de -5.5 mV/°C
- Funcionamiento con bajo voltaje de 1.5 V
Teoría de Diseño del Sistema
Los LED requieren conducción de corriente constante y la luz blanca ajustable necesita que la corriente en dos cadenas de LED separadas sea variada y controlada. Una luminaria LED de blanco ajustable requiere una fuente de alimentación AC-DC de voltaje constante combinada con dos controladores de corriente reductores DC-DC para variar la corriente a través de las cadenas de LED.
La plataforma TIDA-01096 utiliza dos controladores reductores LED TPS92513HV con ajuste analógico de corriente integrado para controlar la corriente a través de cadenas LED cálidas y frías. Los controladores LED TPS92513/HV cuentan con entradas separadas para atenuación analógica y por modulación por ancho de pulsos (PWM), permitiendo un control de brillo sin concesiones para lograr ratios de contraste superiores a 100:1.
Los drivers reductores LED son controlados por el kit SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, que genera dos señales PWM para la atenuación PWM de ambas cadenas. La atenuación analógica requiere dos entradas analógicas variables para configurar el IADJ de los drivers. La señal IADJ variable se obtiene utilizando el PWM del dispositivo CC2650 como convertidor digital-analógico (DAC). Para este proceso, la señal PWM generada por el CC2650 se filtra mediante un filtro RC paso bajo de cuatro etapas, y la salida filtrada se bufferiza con el amplificador operacional OPA376.
Ecuaciones de Diseño
El diseño incluye cálculos integrales para:
- Configuración de Bloqueo por Subtensión: R1=120kΩ y R6=5kΩ configuran el UVLO en 30.5V
- Frecuencia de Conmutación: RRT=190.63kΩ establece fSW=600kHz
- Configuración de Corriente del LED: RISENSE=0.05Ω para corriente LED máxima de 700mA
- Filtro de Atenuación Analógica: Filtro RC de cuatro etapas con frecuencia de corte de 391Hz
- Selección del Inductor: Calculado para una corriente de rizado de 275mA a plena carga
- Condensador de Salida: Se seleccionó 4.7μF para lograr una corriente de rizado de LED de 5mA
Técnicas de Regulación de Intensidad Lumínica
El diseño implementa tres métodos de regulación de brillo distintos para proporcionar flexibilidad y optimizar el rendimiento en diferentes condiciones de operación:
Atenuación Analógica
Utilizar el pin IADJ para configurar dinámicamente la corriente del LED. Más eficiente con menos EMI, pero puede causar variación de temperatura de color a corrientes muy bajas.
- Utiliza PWM filtrado mediante filtro RC de 4 etapas
- Proporciona resolución de 12 bits
- Mayor eficiencia: hasta 98%
- Relación de contraste 1:25
PWM Dimming
Utilice el pin PDIM para habilitar/deshabilitar el gate driver. Evita problemas de temperatura de color con corrientes bajas y proporciona mayor resolución.
- Rango de frecuencia de 200Hz a 5kHz
- Control directo del driver de compuerta
- Mejor linealidad de regulación a corrientes bajas
- 1:50 contrast ratio
Hybrid Dimming
Combina ambos métodos: el analógico para eficiencia y el PWM para ajustes precisos y mejor resolución a bajas corrientes.
- Optimiza la eficiencia y la resolución
- Analógico para el rango principal de regulación de intensidad
- PWM para ajuste fino a bajas corrientes
- Lo mejor de ambas técnicas
Operación Libre de Parpadeo: El diseño puede lograr una operación libre de parpadeo con corrientes de salida de hasta 6mA modificando la resistencia de detección de corriente de 50mΩ a 250mΩ, permitiendo una iluminación de alta calidad incluso en niveles de brillo muy bajos.
Test Data & Performance
Las pruebas exhaustivas demuestran el excelente rendimiento del diseño en diversas condiciones de operación:
Rendimiento de Eficiencia
- Regulación Analógica: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- Regulación PWM (1kHz): 97,39% de eficiencia con ciclo de trabajo al 100%, disminuyendo gradualmente hasta 84,88% con ciclo de trabajo al 3%
- PWM Dimming (5kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Input Voltage Variation: La eficiencia se mantiene por encima del 97% en el rango de entrada de 35V a 48V
Rendimiento de Blanco Ajustable
El sistema mantiene eficientemente el ajuste de temperatura de color en diferentes niveles de brillo:
- 100% de brillo: La eficiencia del sistema varía del 97.27% (luz blanca fría) al 98.15% (luz blanca cálida)
- 75% de brillo: La eficiencia varía del 97,24% al 98,01% entre temperaturas de color
- 50% de brillo: La eficiencia varía del 97,18% al 98,31% en el rango de ajuste
Rendimiento del Sensor
- OPT3001 Ambient Light Sensor: Proporciona mediciones precisas de lux desde 2.57 lux hasta 12,902 lux
- Sensor de Temperatura LMT84: Monitoriza la temperatura del disipador térmico desde 36.21°C hasta 61.60°C bajo diversas condiciones de carga
Design Files & Resources
El paquete de diseño completo incluye todos los archivos necesarios para la implementación:
- Esquemáticos: Diagramas de circuito completos para el sistema de control de LEDs
- Lista de materiales: Lista completa de componentes con referencias de fabricante
- Diseño de PCB: Archivos Gerber y recomendaciones de diseño
- Proyecto Altium: Archivos completos del proyecto de diseño
- Planos de Ensamblaje: Instrucciones detalladas de ensamblaje
- Archivos de Software: Firmware para MCU CC2650 con conectividad BLE
Áreas de Aplicación: Este diseño de referencia es ideal para iluminación LED interior (residencial, minorista, hotelera, iluminación decorativa), sistemas de iluminación con conectividad inalámbrica y aplicaciones de iluminación LED de CC de bajo voltaje que requieren control preciso de temperatura de color y conectividad inalámbrica.
Nota: Lo anterior es un resumen integral del diseño de referencia. El documento PDF completo contiene esquemas detallados, pautas de diseño, detalles de implementación de firmware y extensos datos de prueba. Recomendamos descargar el PDF completo para obtener todos los detalles de implementación.