高効率・可変調ホワイトLED用DC-DCドライバ

Bluetooth® Smart 接続性リファレンスデザイン

テキサス・インスツルメンツ | TIDA-01096 | 2016年8月

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Design Overview

TIDA-01096 TIデザインは、調光可能な白色LED照明器具向けに試験済みのDC-DC LED駆動サブシステムです。この設計はワイヤレスSoCプラットフォームを基盤としており、あらゆるBluetooth Low Energy（BLE）デバイスを用いた輝度調整（調光）と相関色温度（CCT）制御を実現します。

Key Innovation: Tunable white luminaires simulate daylight conditions. With separate warm-white and cold-white LED strings, the design allows CCT tuning, which helps achieve proper circadian stimulation for human wellness applications.

Key Performance Specifications

98％
アナログ調光によるピーク効率
1:50
PWM調光時のコントラスト比
5 kHz
Max PWM Dimming Frequency
700 mA
ストリングごとの最大LED電流

Key Features & Benefits

High-Efficiency Operation

98% efficiency over 100% to 50% brightness with analog dimming, reducing energy consumption and heat generation in LED lighting systems.

Advanced Dimming Capabilities

アナログ調光で1:25のコントラスト比、PWM調光で1:50のコントラスト比を実現し、様々な照明シナリオに応じた精密な輝度制御を提供します。

ワイヤレスBluetoothコントロール

Bluetooth Smart接続により、スマートフォンやその他のBLEデバイスを使用して輝度と色温度をワイヤレスで制御できます。

Ambient Light Sensing

OPT3001-based light measurement enabling daylight harvesting and constant lumen implementations in software for energy efficiency.

Comprehensive Protection

Overcurrent and overtemperature protection for driver and LED module ensures reliable operation and extended lifespan.

Circadian Lighting Support

Tunable white capability supports human wellness applications by simulating natural daylight conditions throughout the day.

Detailed Content Overview

Document Contents

System Overview

Light-emitting diodes (LEDs) are increasingly being used as a light source. At the time of this writing, the focus of lighting is currently shifting from simply illuminating areas with constant light output to providing quality and controlled light output. High quality lighting with adjustable intensity and adjustable color temperature plays a key role in enhancing architecture and human wellness.

白色光の色温度を変更するには、デザイナーは暖色LED（約2500Kの色温度）と寒色LED（約5700Kの色温度）の組み合わせを実装できます。チューナブルな白色COB LEDには2つの独立したストリングが利用可能です。ストリングを通る電流を変更することで、デザイナーは2500Kから5700Kまでの色温度範囲を実現できます。

The tunable white-LED engine with the drivers can be used as a platform for circadian lighting, which targets human wellness. Lighting has a profound effect on sleep, alertness, work efficiency, and health. A tunable, white-LED lighting system can be used for proper maintenance of the circadian rhythm, allowing the necessary amount of white light and warm light, which improves wellness in indoor conditions.

Key System Specifications

パラメータ MIN TYP MAX ユニット
Input voltage 35 - 42 V
Output (LED) current 0 - 700 mA
Switching frequency - 600 - kHz
PWM dimming frequency 200 - 5000 Hz
ウォームLED順電圧 34 37 40 V
コールドLED順電圧 35 38 41 V
Operating temperature -30 - 100 °C

システムブロック図

システムアーキテクチャはSimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kitを中心に構築され、暖色と寒色のLEDストリング用に2つのTPS92513HV降圧LEDドライバを制御します。設計には以下が含まれます：

  • CC2650 Wireless MCU： Generates PWM signals for dimming control and manages Bluetooth connectivity
  • TPS92513HV バックLEDドライバー： Two independent drivers for warm and cold LED strings with integrated analog current adjust
  • OPA376オペアンプ： アナログ調光制御用にフィルタリングされたPWM信号をバッファリング
  • OPT3001 環境光センサ: デイライトハーベスティングと一定ルーメン出力を実現
  • LMT84温度センサー： Monitors heatsink temperature for thermal protection
  • RCローパスフィルター: Convert PWM signals to analog voltages for current reference setting

Design Note: 本システムは35～42V DC入力に対応し、35Wの調光可能な白色LED COBを駆動します。暖色と寒色のLEDストリングを独立制御することで、2500Kから5700Kまでの色温度調節を実現しています。

ハイライトされたコンポーネント

TPS92513HV

大電流LED駆動用、MOSFET内蔵1.5Aステップダウン（バック）電流レギュレータ

  • 4.5-60V input voltage range
  • ±5% LED current accuracy
  • 100kHzから2MHzのスイッチング周波数
  • Dedicated PWM dimming input
  • 統合内蔵220mΩハイサイドMOSFET

CC2650

Bluetooth Smart、ZigBee、6LoWPANアプリケーション向けワイヤレスMCU

  • 48MHz動作の32ビットARM Cortex-M3プロセッサ
  • Ultra-low-power sensor controller
  • ROMに組み込まれたBLEコントローラ
  • 128KB Flash、20KB SRAM
  • I²C、UART、SPIを含む豊富なペリフェラルセット

OPT3001

Ambient light sensor with precision optical filtering to match human eye response.

  • Rejects >99% of IR
  • 0.01ルクスから83,000ルクスの測定範囲
  • 23ビット有効ダイナミックレンジ
  • Low operating current: 1.8µA
  • I²C compatible digital output

OPA376

低ノイズ・オペアンプにe-trim技術を採用し、優れたDC精度とAC特性を実現。

  • 低ノイズ：1kHz時7.5nV/√Hz
  • Low offset voltage: 5µV typical
  • 5.5 MHz ゲイン帯域幅積
  • レール・トゥ・レール入力および出力
  • 2.2V to 5.5V supply voltage

LMT84

Precision CMOS temperature sensor with analog output voltage inversely proportional to temperature.

  • ±0.4°C typical accuracy
  • -50°Cから150°Cの温度範囲
  • Low 5.4-µA quiescent current
  • -5.5 mV/°C 平均センサー感度
  • Low 1.5-V動作

System Design Theory

LEDs require constant current drive and tunable white light requires current in two separate LED strings to be varied and controlled. A tunable white LED luminaire requires an AC-DC constant-voltage power supply combined with two DC-DC buck current controllers to vary the current through the LED strings.

TIDA-01096プラットフォームは、2つのTPS92513HVバックLEDドライバーを採用し、統合されたアナログ電流調整機能により暖色と冷色のLEDストリングの電流を制御します。TPS92513/HV LEDドライバーは、アナログ調光とパルス幅変調（PWM）調光のための独立した入力端子を備え、100:1を超えるコントラスト比を実現するため、妥協のない輝度制御を実現します。

バックLEDドライバーはSimpleLink CC2650ワイヤレスMCU LaunchPadキットで制御され、2系統のPWM調光用に2つのPWM信号を生成します。アナログ調光を実現するには、バックLEDドライバーのIADJを設定するための2つの可変アナログ入力が必要です。可変IADJは、CC2650デバイスからのPWMをデジタル-アナログ変換器（DAC）として使用して導出されます。この処理では、CC2650デバイスで生成されたPWMは4段のローパスRCフィルターでフィルタリングされ、フィルタリングされた出力はオペアンプOPA376でバッファリングされます。

Design Equations

The design includes comprehensive calculations for:

  • アンダーボルテージロックアウト設定： R1=120kΩおよびR6=5kΩにより、UVLOは30.5Vに設定されます
  • スイッチング周波数： RRT=190.63kΩによりfSW=600kHzを設定
  • LED Current Setting: RISENSE=0.05Ω（最大700mA LED電流用）
  • アナログ調光フィルター： カットオフ周波数391Hzの4段RCフィルタ
  • インダクタの選定： Calculated for 275mA ripple current at full load
  • 出力コンデンサ： 4.7μFは、LEDリップル電流5mAを達成するために選定されました。

Dimming Techniques

The design implements three distinct dimming methods to provide flexibility and optimize performance for different operating conditions:

Analog Dimming

Using IADJ pin to dynamically set LED current. More efficient with less EMI but may cause color temperature variation at very low currents.

  • 4段RCフィルタを通してPWMをフィルタリングして使用します
  • Provides 12-bit resolution
  • Higher efficiency: up to 98%
  • 1:25 コントラスト比

PWM Dimming

PDIMピンを使用してゲートドライバをイネーブル/ディセーブルします。低電流時の色温度の問題を回避し、より高い分解能を提供します。

  • 200Hzから5kHzの周波数帯域
  • Direct control of gate driver
  • Better dimming linearity at low currents
  • 1:50 コントラスト比

ハイブリッド調光

Combines both methods - analog for efficiency and PWM for fine tuning and better resolution at low currents.

  • Optimizes efficiency and resolution
  • Analog for main dimming range
  • PWM for fine adjustment at low currents
  • Best of both techniques

フリッカーフリー動作： The design can achieve flicker-free operation down to 6mA output current by modifying the current-sensing resistor from 50mΩ to 250mΩ, enabling high-quality lighting even at very low brightness levels.

Test Data & Performance

Comprehensive testing demonstrates the excellent performance of the design across various operating conditions:

Efficiency Performance

  • アナログ調光： 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
  • PWM調光（1kHz）: 100%デューティ比で97.39%の効率、3%デューティ比まで徐々に84.88%に低下
  • PWM Dimming (5kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
  • Input Voltage Variation: Efficiency remains above 97% across 35V to 48V input range

Tunable White Performance

The system efficiently maintains color temperature tuning across different brightness levels:

  • 100%輝度： システム効率は97.27%（クールホワイト）から98.15%（ウォームホワイト）の範囲です
  • 75% 輝度: 効率は色温度に応じて97.24%から98.01%の範囲で変動します。
  • 50% 輝度： チューニング範囲全体での効率は97.18%から98.31%の範囲に収まります。

Sensor Performance

  • OPT3001 環境光センサ: 2.57ルクスから12,902ルクスまでの正確な照度測定を提供します
  • LMT84温度センサー： 様々な負荷条件下でヒートシンク温度を36.21°Cから61.60°Cまで監視

Design Files & Resources

完全な設計パッケージには、実装に必要な全てのファイルが含まれています：

  • Schematics: LEDドライバーシステムの完全な回路図
  • Bill of Materials: Comprehensive parts list with manufacturer references
  • PCBレイアウト： Gerberファイルとレイアウト推奨事項
  • Altiumプロジェクト： 完全な設計プロジェクトファイル
  • Assembly Drawings: Detailed assembly instructions
  • ソフトウェアファイル： BLE接続機能を備えたCC2650マイクロコントローラ向けファームウェア

アプリケーション分野： This reference design is ideal for indoor LED lighting (residential, retail, hospitality, accent lighting), wireless connected lighting systems, and low-voltage DC LED lighting applications requiring precise color temperature control and wireless connectivity.

Note: 上記はリファレンス設計の包括的な概要です。完全なPDFドキュメントには、詳細な回路図、レイアウトガイドライン、ファームウェア実装の詳細、および豊富なテストデータが含まれています。完全な実装詳細については、PDF全文のダウンロードを推奨します。