Panoramica della Progettazione
Il TIDA-01096 TI Design è un sottosistema di alimentazione DC-DC per LED testato, destinato a luminari a LED bianco regolabili. La progettazione è stata realizzata su una piattaforma wireless system-on-chip (SoC), che consente la regolazione dell'intensità (dimming) e il controllo della temperatura di colore correlata (CCT) utilizzando qualsiasi dispositivo Bluetooth low energy (BLE).
Innovazione Chiave: I corpi illuminanti a bianco regolabile simulano le condizioni di luce diurna. Grazie a stringhe LED separate per il bianco caldo e il bianco freddo, il design consente la regolazione della CCT, contribuendo a ottenere una corretta stimolazione circadiana per applicazioni legate al benessere umano.
Specifiche Chiave di Prestazione
Key Features & Benefits
Funzionamento ad Alta Efficienza
Efficienza del 98% da luminosità 100% a 50% con dimmerazione analogica, riducendo consumo energetico e generazione di calore nei sistemi di illuminazione a LED.
Capacità di Dimmerazione Avanzate
Rapporto di contrasto 1:25 con regolazione analogica e 1:50 con regolazione PWM, garantendo un controllo di luminosità preciso per vari scenari illuminotecnici.
Controllo Bluetooth Wireless
La connettività Bluetooth Smart consente il controllo wireless di intensità e temperatura colore tramite smartphone o altri dispositivi BLE.
Rilevamento della Luce Ambientale
Misurazione della luce basata su OPT3001 che abilita l'harvesting della luce diurna e implementazioni software a lumen costante per l'efficienza energetica.
Protezione Completa
La protezione da sovracorrente e surriscaldamento per il driver e il modulo LED garantisce un funzionamento affidabile e una maggiore durata.
Supporto Illuminazione Circadiana
La funzione bianco regolabile supporta le applicazioni per il benessere umano simulando le condizioni della luce naturale durante l'intera giornata.
Panoramica Dettagliata dei Contenuti
Contenuto del Documento
Panoramica del Sistema
I diodi a emissione luminosa (LED) sono sempre più utilizzati come sorgente luminosa. Al momento della stesura di questo documento, l'attenzione nel campo dell'illuminazione si sta spostando dal semplice illuminare aree con un flusso luminoso costante al fornire una luce di qualità e controllata. Un'illuminazione di alta qualità con intensità regolabile e temperatura di colore regolabile svolge un ruolo chiave nel valorizzare l'architettura e nel promuovere il benessere delle persone.
Per modificare la temperatura di colore della luce bianca, il progettista può implementare una combinazione di LED caldi (temperatura di colore di circa 2500 K) e LED freddi (temperatura di colore di circa 5700 K). I LED bianchi regolabili chip-on-board (COB) sono disponibili con due stringhe separate. Variando la corrente attraverso le stringhe, il progettista può creare temperature di colore comprese tra 2500 K e 5700 K.
Il motore a LED bianchi regolabili con i driver può essere utilizzato come piattaforma per l'illuminazione circadiana, che mira al benessere umano. L'illuminazione ha un effetto profondo sul sonno, sull'attenzione, sull'efficienza lavorativa e sulla salute. Un sistema di illuminazione a LED bianchi regolabile può essere utilizzato per il corretto mantenimento del ritmo circadiano, fornendo la necessaria quantità di luce bianca e calda, migliorando così il benessere in ambienti interni.
Specifiche Chiave del Sistema
| PARAMETRI | MIN | TIP | MAX | UNIT |
|---|---|---|---|---|
| Tensione di ingresso | 35 | - | 42 | V |
| Corrente di uscita (LED) | 0 | - | 700 | mA |
| Frequenza di commutazione | - | 600 | - | kHz |
| Frequenza di modulazione PWM | 200 | - | 5000 | Hz |
| Tensione diretta LED caldo | 34 | Trentasette | Quaranta | V |
| Tensione diretta LED a freddo | 35 | 38 | 41 | V |
| Temperatura operativa | -30 | - | 100 | °C |
Diagramma a Blocchi del Sistema
L'architettura del sistema è costruita attorno al kit SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, che controlla due driver LED buck TPS92513HV per le stringhe di LED caldi e freddi. Il design include:
- CC2650 Wireless MCU: Genera segnali PWM per il controllo della luminosità e gestisce la connettività Bluetooth
- TPS92513HV Buck LED Drivers: Due driver indipendenti per stringhe LED calde e fredde con regolazione analogica integrata della corrente
- OPA376 Op-Amps: Buffer dei segnali PWM filtrati per il controllo di attenuazione analogica
- OPT3001 Sensore di Luce Ambientale: Abilita la raccolta della luce diurna e l'output costante di lumen
- Sensore di Temperatura LMT84: Monitora la temperatura del dissipatore per la protezione termica
- Filtri Passa-Basso RC: Convertire i segnali PWM in tensioni analogiche per l'impostazione del riferimento di corrente
Nota di Progettazione: Il sistema accetta un ingresso CC da 35-42V e pilota un LED COB bianco regolabile da 35W con stringhe LED calde e fredde separate, consentendo la regolazione della temperatura di colore da 2500K a 5700K.
Componenti Evidenziati
TPS92513HV
Regolatore di corrente step-down (buck) da 1.5 A con MOSFET integrato per pilotare LED ad alta corrente.
- Intervallo di tensione di ingresso da 4,5 a 60 V
- Precisione della corrente LED ±5%
- Frequenza di commutazione da 100 kHz a 2 MHz
- Ingresso PWM dedicato per la regolazione della luminosità
- MOSFET high-side integrato da 220 mΩ
CC2650
Wireless MCU per applicazioni Bluetooth Smart, ZigBee e 6LoWPAN.
- Processore ARM Cortex-M3 a 32-bit con frequenza di 48MHz
- Controller di sensori a bassissimo consumo
- Controller BLE integrato in ROM
- 128KB Flash, 20KB SRAM
- Set di periferiche ricco che include I²C, UART, SPI
OPT3001
Sensore di luce ambientale con filtraggio ottico di precisione per corrispondere alla risposta dell'occhio umano.
- Rejects >99% of IR
- Intervallo di misura da 0,01 lux a 83k lux
- Gamma dinamica effettiva a 23 bit
- Bassa corrente operativa: 1,8µA
- Uscita digitale compatibile con I²C
OPA376
Amplificatore operazionale a basso rumore con e-trim, che offre eccezionale precisione in continua e prestazioni in alternata.
- Basso rumore: 7.5 nV/√Hz a 1 kHz
- Bassa tensione di offset: 5µV tipico
- Prodotto guadagno-banda di 5.5 MHz
- Ingresso e uscita rail-to-rail
- Tensione di alimentazione da 2.2V a 5.5V
LMT84
Sensore di temperatura CMOS di precisione con tensione di uscita analogica inversamente proporzionale alla temperatura.
- Accuratezza tipica di ±0,4°C
- Intervallo di temperatura da -50°C a 150°C
- Bassa corrente di riposo di 5,4 µA
- Guadagno medio del sensore di -5,5 mV/°C
- Bassa tensione di funzionamento di 1,5 V
Teoria della Progettazione del Sistema
I LED richiedono una guida a corrente costante e la luce bianca regolabile necessita che la corrente in due stringhe LED separate venga variata e controllata. Un apparecchio illuminante a LED bianco regolabile richiede un alimentatore AC-DC a tensione costante combinato con due controller di corrente buck DC-DC per variare la corrente attraverso le stringhe LED.
La piattaforma TIDA-01096 utilizza due driver LED buck TPS92513HV con regolazione di corrente analogica integrata per controllare la corrente attraverso le stringhe LED calde e fredde. I driver LED TPS92513/HV dispongono di ingressi separati per la regolazione analogica e PWM (modulazione di larghezza di impulso) dell'intensità luminosa, garantendo un controllo della luminosità senza compromessi per ottenere rapporti di contrasto superiori a 100:1.
I driver LED buck sono controllati dal kit SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, che genera due segnali PWM per la regolazione PWM di entrambe le stringhe. Per ottenere la regolazione analogica sono necessari due ingressi analogici variabili per impostare il pin IADJ dei driver LED buck. Il segnale IADJ variabile viene generato utilizzando il PWM del dispositivo CC2650 come convertitore digitale-analogico (DAC). In questo processo, il PWM generato dal dispositivo CC2650 viene filtrato da un filtro RC passa-basso a quattro stadi e l'output filtrato viene bufferizzato mediante l'amplificatore operazionale OPA376.
Design Equations
La progettazione include calcoli completi per:
- Impostazione Soglia Sottotensione: R1=120kΩ e R6=5kΩ impostano l'UVLO a 30.5V
- Frequenza di commutazione: RRT=190.63kΩ imposta fSW=600kHz
- Impostazione della corrente LED: RISENSE=0.05Ω per corrente LED massima di 700mA
- Filtro Dimmeraggio Analogico: Filtro RC a quattro stadi con frequenza di taglio di 391Hz
- Selezione dell'induttore: Calcolato per un ripple di corrente di 275mA a pieno carico
- Condensatore di uscita: 4.7μF selezionato per ottenere una corrente di ripple LED di 5mA
Tecniche di Regolazione Luminosa
Il progetto implementa tre distinti metodi di dimmerazione per garantire flessibilità e ottimizzare le prestazioni in diverse condizioni operative:
Regolazione Analogica dell'Intensità
Utilizzo del pin IADJ per impostare dinamicamente la corrente LED. Maggiore efficienza con minore EMI ma può causare variazioni di temperatura di colore a correnti molto basse.
- Utilizza PWM filtrato attraverso filtro RC a 4 stadi
- Fornisce una risoluzione a 12 bit
- Maggiore efficienza: fino al 98%
- Rapporto di contrasto 1:25
PWM Dimming
Utilizzo del pin PDIM per abilitare/disabilitare il driver di gate. Evita problemi di temperatura colore a correnti basse e fornisce una risoluzione maggiore.
- Intervallo di frequenza da 200 Hz a 5 kHz
- Controllo diretto del driver di gate
- Migliore linearità di regolazione a basse correnti
- Rapporto di contrasto 1:50
Hybrid Dimming
Combina entrambi i metodi: analogico per l'efficienza e PWM per la regolazione fine e una migliore risoluzione a correnti basse.
- Ottimizza efficienza e risoluzione
- Analog per l'intervallo principale di regolazione luminosa
- PWM per la regolazione fine a correnti basse
- Il meglio di entrambe le tecniche
Funzionamento senza sfarfallio: Il design può raggiungere un funzionamento senza sfarfallio fino a 6mA di corrente di uscita modificando la resistenza di rilevamento da 50mΩ a 250mΩ, consentendo un'illuminazione di alta qualità anche a livelli di luminosità molto bassi.
Test Data & Performance
Test completi dimostrano l'eccellente performance del design in varie condizioni operative:
Prestazioni di Efficienza
- Regolazione analogica dell'intensità luminosa: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- Regolazione PWM dell'intensità luminosa (1kHz): Efficienza del 97,39% con ciclo di lavoro al 100%, che diminuisce gradualmente fino all'84,88% con ciclo di lavoro al 3%
- Dimmerazione PWM (5kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Variazione della tensione di ingresso: L'efficienza rimane superiore al 97% nell'intervallo di ingresso da 35V a 48V
Prestazioni Tunable White
Il sistema mantiene efficientemente la regolazione della temperatura colore attraverso diversi livelli di luminosità:
- Luminosità 100%: L'efficienza del sistema varia dal 97,27% (bianco freddo) al 98,15% (bianco caldo)
- Luminosità 75%: L'efficienza varia dal 97,24% al 98,01% tra le temperature di colore
- Luminosità al 50%: L'efficienza varia dal 97,18% al 98,31% nell'intervallo di regolazione
Prestazioni del Sensore
- OPT3001 Sensore di Luce Ambientale: Fornisce misurazioni lux accurate da 2,57 lux a 12.902 lux
- Sensore di Temperatura LMT84: Monitora la temperatura del dissipatore da 36,21°C a 61,60°C in varie condizioni di carico
Design Files & Resources
Il pacchetto di progettazione completo include tutti i file necessari per l'implementazione:
- Schemi: Schemi circuitali completi per il sistema di pilotaggio LED
- Distinta dei materiali: Elenco componenti completo con riferimenti al produttore
- Layout del PCB: File Gerber e raccomandazioni di layout
- Progetto Altium: File completi del progetto di progettazione
- Disegni di assemblaggio: Istruzioni dettagliate per l'assemblaggio
- File software: Firmware per MCU CC2650 con connettività BLE
Aree di Applicazione: Questo reference design è ideale per illuminazione LED indoor (residenziale, retail, hospitality, illuminazione d'accento), sistemi di illuminazione wireless connessi e applicazioni di illuminazione LED a bassa tensione CC che richiedono controllo preciso della temperatura di colore e connettività wireless.
Nota: Quanto sopra costituisce una sintesi completa del design di riferimento. Il documento PDF integrale contiene schemi dettagliati, linee guida per il layout, specifiche di implementazione del firmware e dati di test esaustivi. Si consiglia di scaricare il PDF completo per i dettagli implementativi definitivi.