Design Overview
TIDA-01096 TI Design یک زیرسیستم درایور LED DC-DC تستشده برای تجهیزات روشنایی LED سفید قابل تنظیم است. این طراحی بر روی یک پلتفرم سیستم-روی-یک-تراشه (SoC) بیسیم ساخته شده است که قادر به تنظیم شدت نور (دیمر) و کنترل دمای رنگ مرتبط (CCT) با استفاده از هر دستگاه Bluetooth low energy (BLE) میباشد.
Key Innovation: چراغهای سفید قابل تنظیم، شرایط نور روز را شبیهسازی میکنند. با استفاده از رشتههای LED سفید گرم و سفید سرد مجزا، این طراحی امکان تنظیم CCT را فراهم میکند که به دستیابی تحریک مناسب سیرکادین برای کاربردهای سلامتی انسان کمک میکند.
مشخصات کلیدی عملکرد
Key Features & Benefits
عملکرد با بازدهی بالا
بازدهی 98 درصدی در محدوده روشنایی 100 تا 50 درصد با قابلیت تیرهسازی آنالوگ، کاهش مصرف انرژی و تولید گرما در سیستمهای روشنایی LED.
قابلیتهای پیشرفته تیرهسازی
نسبت کنتراست 1:25 با تیرهسازی آنالوگ و 1:50 با تیرهسازی PWM، کنترل دقیق روشنایی را برای سناریوهای مختلف نورپردازی فراهم میکند.
کنترل بیسیم بلوتوث
قابلیت اتصال Bluetooth Smart کنترل بیسیم شدت نور و دمای رنگ را با استفاده از تلفنهای هوشمند یا سایر دستگاههای BLE امکانپذیر میسازد.
سنجش نور محیطی
اندازهگیری نور مبتنی بر OPT3001 که امکان بهرهبرداری از نور روز و پیادهسازی لومن ثابت را در نرمافزار برای بهرهوری انرژی فراهم میکند.
حفاظت جامع
حفاظت از جریان بیشازحد و دمای بیشازحد برای درایور و ماژول LED، عملکرد مطمئن و طول عمرExtended را تضمین میکند.
پشتیبانی از نورسنجی شبانهروزی
قابلیت سفید قابل تنظیم با شبیهسازی شرایط نور طبیعی در طول روز، از کاربردهای سلامتی انسان پشتیبانی میکند.
مرور کلی محتوای تفصیلی
محتوای اسناد
مرور سیستم
دیودهای نورافشان (LEDs) به طور فزایندهای به عنوان منبع نور مورد استفاده قرار میگیرند. در زمان نگارش این متن، تمرکز روشنایی در حال تغییر از نورپردازی ساده مناطق با خروجی نور ثابت به ارائه نور با کیفیت و کنترلشده است. نورپردازی باکیفیت با قابلیت تنظیم شدت و دمای رنگ، نقش کلیدی در ارتقای معماری و سلامتی انسان ایفا میکند.
برای تغییر دمای رنگ نور سفید، طراح میتواند از ترکیب الئیدیهای گرم (دمای رنگ حدود 2500 کلوین) و الئیدیهای سرد (دمای رنگ حدود 5700 کلوین) استفاده کند. الئیدیهای سفید قابل تنظیم Chip-on-Board (COB) با دو رشته مجزا در دسترس هستند. با تغییر جریان از طریق این رشتهها، طراح میتواند دمای رنگ از 2500 کلوین تا 5700 کلوین ایجاد کند.
موتور الئیدی سفید قابل تنظیم به همراه درایورها میتواند به عنوان بستری برای نورپردازی سیرکادین که هدف آن ارتقای سلامتی انسان است، مورد استفاده قرار گیرد. نورپردازی تأثیر عمیقی بر خواب، هوشیاری، کارایی و سلامت دارد. یک سیستم نورپردازی الئیدی سفید قابل تنظیم میتواند برای حفظ مناسب ریتم سیرکادین به کار رود و مقدار لازم نور سفید و نور گرم را فراهم کند که منجر به بهبود سلامتی در شرایط محیط داخلی میشود.
مشخصات کلیدی سیستم
| پارامترها | حداقل | نوع | حداکثر | واحد |
|---|---|---|---|---|
| ولتاژ ورودی | 35 | - | ۴۲ | V |
| جریان خروجی (LED) | 0 | - | ۷۰۰ | میلیآمپر |
| Switching frequency | - | 600 | - | kHz |
| فرکانس تاریسازی PWM | 200 | - | 5000 | هرتز |
| ولتاژ مستقیم LED گرم | 34 | 37 | 40 | V |
| ولتاژ مستقیم LED سرد | 35 | 38 | 41 | V |
| دمای عملیاتی | -30 | - | ۱۰۰ | °C |
نمودار بلوکی سیستم
معماری سیستم حول کیت SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad ساخته شده است که دو درایور LED باک TPS92513HV را برای رشتههای LED گرم و سرد کنترل میکند. طراحی شامل موارد زیر است:
- CC2650 Wireless MCU: تولید سیگنالهای PWM برای کنترل تاری و مدیریت اتصال بلوتوث
- TPS92513HV Buck LED Drivers: دو درایور مستقل برای رشتههای LED گرم و سرد با تنظیم جریان آنالوگ یکپارچه
- OPA376 Op-Amps: بافر کردن سیگنالهای PWM فیلترشده برای کنترل دیمینگ آنالوگ
- OPT3001 Ambient Light Sensor: فعالسازی جمعآوری نور روز و خروجی لومن ثابت
- سنسور دما LMT84: نظارت بر دمای هیت سینک برای محافظت حرارتی
- فیلترهای پایین گذر RC: تبدیل سیگنالهای PWM به ولتاژهای آنالوگ برای تنظیم مرجع جریان
Design Note: سیستم ورودی DC 35-42V را پذیرفته و یک LED COB سفید قابل تنظیم 35W را با رشتههای LED گرم و سرد مجزا راهاندازی میکند که امکان تنظیم دمای رنگ از 2500K تا 5700K را فراهم میسازد.
اجزای برجسته
TPS92513HV
تنظیمکننده جریان باک ۱.۵ آمپری با MOSFET یکپارچه برای راهاندازی LEDهای جریان بالا.
- محدوده ولتاژ ورودی 4.5 تا 60 ولت
- دقت جریان LED ±5%
- فرکانس سوئیچینگ 100 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز
- ورودی مخصوص تاریکسازی PWM
- ماسفت مجتمع سمت-بالا 220 میلیاهم
CC2650
میکروکنترلر بیسیم برای کاربردهای Bluetooth Smart، ZigBee و 6LoWPAN
- پردازنده 32 بیتی ARM Cortex-M3 با فرکانس 48 مگاهرتز
- کنترلکننده سنسور فوقکممصرف
- کنترلکننده BLE جاسازیشده در ROM
- ۱۲۸ کیلوبایت فلش، ۲۰ کیلوبایت اسرم
- مجموعهای غنی از قطعات جانبی شامل I²C, UART, SPI
OPT3001
سنسور نور محیطی با فیلتر نوری دقیق برای تطابق با پاسخ چشم انسان.
- Rejects >99% of IR
- محدوده اندازهگیری از 0.01 لوکس تا 83 هزار لوکس
- محدوده دینامیکی مؤثر 23 بیتی
- جریان کاری پایین: 1.8 میکروآمپر
- خروجی دیجیتال سازگار با I²C
OPA376
تقویتکننده عملیاتی با نویز کم و قابلیت e-trim، ارائه دقت DC و عملکرد AC برجسته.
- نویز کم: 7.5 nV/√Hz در 1 کیلوهرتز
- ولتاژ آفست کم: 5 میکروولت معمولی
- حاصل ضرب بهره-پهنای باند ۵.۵ مگاهرتز
- ورودی و خروجی ریل-تو-ریل
- ولتاژ منبع تغذیه 2.2 تا 5.5 ولت
LMT84
سنسور دمای دقیق CMOS با خروجی ولتاژ آنالوگ که با دما رابطه معکوس دارد.
- دقت معمولی ±0.4 درجه سانتیگراد
- محدوده دمایی 150- تا 150+ درجه سانتیگراد
- جریان بیبار پایین ۵.۴ میکروآمپر
- بهره متوسط سنسور ۵.۵- میلیولت بر درجه سلسیوس
- کارکرد پایین با ولتاژ ۱.۵ ولت
تئوری طراحی سیستم
LEDها به درایو جریان ثابت نیاز دارند و نور سفید قابل تنظیم مستلزم تغییر و کنترل جریان در دو رشته LED مجزا است. یک چراغ LED سفید قابل تنظیم به یک منبع تغذیه AC-DC با ولتاژ ثابت همراه با دو کنترلکننده جریان باک DC-DC برای تغییر جریان در رشتههای LED نیاز دارد.
پلتفرم TIDA-01096 از دو درایور LED باک TPS92513HV با تنظیم جریان آنالوگ یکپارچه برای کنترل جریان از طریق رشتههای LED گرم و سرد استفاده میکند. درایورهای LED TPS92513/HV دارای ورودیهای جداگانه برای تنظیم نور آنالوگ و مدولاسیون عرض پالس (PWM) برای کنترل روشنایی بدون سازش بوده تا نسبتهای کنتراست بالاتر از 100:1 محقق گردد.
درایورهای LED باک توسط کیت راهانداز SimpleLink CC2650 Wireless MCU کنترل میشوند که دو سیگنال PWM برای تنظیم نور PWM هر دو رشته تولید میکند. دستیابی به تنظیم نور آنالوگ مستلزم دو ورودی آنالوگ متغیر برای تنظیم IADJ درایورهای LED باک است. IADJ متغیر با استفاده از PWM از دستگاه CC2650 به عنوان مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) استخراج میشود. در این فرآیند، PWM تولید شده از دستگاه CC2650 توسط یک فیلتر پایینگذر RC چهار مرحلهای فیلتر شده و خروجی فیلتر شده با استفاده از آمپلی فایر عملیاتی OPA376 بافر میشود.
Design Equations
طراحی شامل محاسبات جامع برای:
- Undervoltage Lockout Setting: R1=120kΩ و R6=5kΩ آستانه قطع ولتاژ پایین را در 30.5V تنظیم میکنند
- فرکانس سوئیچینگ: RRT=190.63kΩ فرکانس سوئیچینگ را روی 600kHz تنظیم میکند
- تنظیم جریان LED: RISENSE=0.05Ω برای حداکثر جریان LED 700mA
- فیلتر تنظیم نور آنالوگ: فیلتر RC چهار مرحلهای با فرکانس قطع 391Hz
- انتخاب سلف: محاسبه شده برای جریان ریپل 275mA در بار کامل
- خازن خروجی: 4.7μF برای دستیابی به جریان ریپل 5mA LED انتخاب شد
تکنیکهای تنظیم شدت نور
این طراحی سه روش متمایز تنظیم نور را پیادهسازی میکند تا انعطافپذیری و بهینهسازی عملکرد را برای شرایط کاری مختلف فراهم نماید:
Analog Dimming
استفاده از پین IADJ برای تنظیم دینامیک جریان LED. کارآمدتر با EMI کمتر اما ممکن است باعث تغییر دمای رنگ در جریانهای بسیار پایین شود.
- از PWM فیلترشده از طریق فیلتر RC چهارمرحلهای استفاده میکند
- وضوح 12 بیتی ارائه میدهد
- بازدهی بالاتر: حداکثر 98٪
- نسبت کنتراست 1:25
PWM Dimming
استفاده از پین PDIM برای فعال/غیرفعالسازی درایور گیت. از مشکلات دمای رنگ در جریانهای پایین جلوگیری کرده و وضوح بالاتری فراهم میکند.
- محدوده فرکانس 200 هرتز تا 5 کیلوهرتز
- کنترل مستقیم درایور گیت
- خطیبودن بهتر تنظیم نور در جریانهای پایین
- نسبت کنتراست 1:50
Hybrid Dimming
هر دو روش را ترکیب میکند - آنالوگ برای بازدهی و PWM برای تنظیم دقیق و رزولوشن بهتر در جریانهای پایین.
- بهینهسازی بازدهی و رزولوشن
- آنالوگ برای محدوده اصلی تیرگی
- PWM برای تنظیم دقیق در جریانهای پایین
- برترین ویژگی هر دو فناوری
عملکرد بدون سوسو زدن: این طراحی با تغییر مقاومت سنجش جریان از 50mΩ به 250mΩ قادر به دستیابی عملکرد بدون سوسو تا جریان خروجی 6mA است که امکان روشنایی با کیفیت بالا حتی در سطوح بسیار کم نور را فراهم میکند.
Test Data & Performance
آزمایشهای جامع عملکرد عالی طراحی را در شرایط عملیاتی مختلف نشان میدهد:
Efficiency Performance
- Analog Dimming: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- PWM Dimming (1kHz): 97.39% بازدهی در چرخه کاری 100%، کاهش تدریجی تا 84.88% در چرخه کاری 3%
- PWM Dimming (5kHz): 97.82% efficiency at ۱۰۰% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Input Voltage Variation: بازده در محدوده ورودی 35 تا 48 ولت بالای 97 درصد باقی میماند
عملکرد سفیدی قابل تنظیم
سیستم به طور مؤثر تنظیم دمای رنگ را در سطوح مختلف روشنایی حفظ میکند:
- 100% روشنایی: بازده سیستم از 97.27% (سفید سرد) تا 98.15% (سفید گرم) متغیر است
- 75% روشنایی: بازدهی در محدوده دمای رنگی از 97.24% تا 98.01% متغیر است
- 50% روشنایی: بازدهی در محدوده تنظیم از 97.18% تا 98.31% متغیر است
عملکرد سنسور
- OPT3001 Ambient Light Sensor: اندازهگیری دقیق لوکس از 2.57 لوکس تا 12,902 لوکس را ارائه میدهد
- سنسور دما LMT84: دمای هیت سینک را از 36.21 درجه سانتیگراد تا 61.60 درجه سانتیگراد تحت شرایط بار مختلف نظارت میکند
Design Files & Resources
بسته طراحی کامل شامل تمام فایلهای لازم برای پیادهسازی میباشد:
- شماتیکها: نمودارهای مدار کامل برای سیستم درایور LED
- فهرست قطعات: فهرست جامع قطعات با ارجاعات سازنده
- چیدمان PCB: فایلهای Gerber و توصیههای چیدمان
- پروژه Altium: فایلهای کامل پروژه طراحی
- نقشههای مونتاژ: دستورالعملهای جزئی مونتاژ
- فایلهای نرمافزاری: Firmware برای میکروکنترلر CC2650 با قابلیت اتصال BLE
حوزههای کاربردی: این طراحی مرجع برای روشنایی الایدی داخلی (مسکونی، خردهفروشی، هتلداری، نورپردازی تزئینی)، سیستمهای روشنایی متصل بیسیم و کاربردهای روشنایی الایدی DC با ولتاژ پایین که نیاز به کنترل دقیق دمای رنگ و اتصال بیسیم دارند، ایدهآل است.
توجه: موارد فوق خلاصهای جامع از طراحی مرجع است. سند کامل PDF شامل شماتیکهای دقیق، راهنمای چیدمان، جزئیات پیادهسازی فریمور و دادههای گسترده آزمایش میباشد. برای دریافت جزئیات کامل پیادهسازی، توصیه میکنیم نسخه کامل PDF را دانلود کنید.