Visão Geral do Design
O TIDA-01096 TI Design é um subsistema de driver LED CC-CC testado para luminárias LED brancas ajustáveis. O projeto foi desenvolvido em uma plataforma wireless system-on-chip (SoC), que permite ajuste de intensidade (dimming) e controle de correlated color temperature (CCT) usando qualquer dispositivo Bluetooth low energy (BLE).
Inovação Principal: Luminárias de branco ajustável simulam condições de luz natural. Com cadeias de LED branco quente e branco frio separadas, o projeto permite ajuste de CCT, o que ajuda a alcançar estimulação circadiana adequada para aplicações de bem-estar humano.
Especificações Principais de Desempenho
Key Features & Benefits
Operação de Alta Eficiência
Eficiência de 98% entre 100% e 50% de brilho com dimerização analógica, reduzindo o consumo de energia e a geração de calor em sistemas de iluminação LED.
Capacidades Avançadas de Dimerização
Razão de contraste de 1:25 com dimerização analógica e 1:50 com dimerização PWM, proporcionando controle preciso de brilho para vários cenários de iluminação.
Controle Bluetooth Sem Fio
A conectividade Bluetooth Smart permite o controle sem fio da intensidade e temperatura de cor através de smartphones ou outros dispositivos BLE.
Detecção de Luz Ambiente
Medição de luz baseada no OPT3001 permitindo aproveitamento de luz natural e implementações de lúmen constante via software para eficiência energética.
Proteção Abrangente
A proteção contra sobrecorrente e sobretemperatura para o driver e módulo LED garante operação confiável e maior vida útil.
Suporte à Iluminação Circadiana
A capacidade de branco ajustável suporta aplicações de bem-estar humano simulando condições de luz natural ao longo do dia.
Visão Geral do Conteúdo Detalhado
Conteúdo do Documento
Visão Geral do Sistema
Os diodos emissores de luz (LEDs) estão a ser cada vez mais utilizados como fonte de iluminação. Na data de redação deste documento, o foco da iluminação está atualmente a mudar de simplesmente iluminar áreas com produção de luz constante para fornecer uma produção de luz controlada e de qualidade. A iluminação de alta qualidade com intensidade ajustável e temperatura de cor ajustável desempenha um papel fundamental no aprimoramento da arquitetura e do bem-estar humano.
Para alterar a temperatura de cor da luz branca, o designer pode implementar uma combinação de LEDs quentes (temperatura de cor de aproximadamente 2500 K) e LEDs frios (temperatura de cor de aproximadamente 5700 K). LEDs brancos ajustáveis do tipo chip-on-board (COB) estão disponíveis com dois circuitos separados. Ao alterar a corrente através dos circuitos, o designer pode criar temperaturas de cor variando de 2500 K a 5700 K.
O motor de LED branco ajustável com os drivers pode ser usado como uma plataforma para iluminação circadiana, que visa o bem-estar humano. A iluminação tem um efeito profundo no sono, no estado de alerta, na eficiência do trabalho e na saúde. Um sistema de iluminação de LED branco ajustável pode ser usado para a manutenção adequada do ritmo circadiano, permitindo a quantidade necessária de luz branca e luz quente, o que melhora o bem-estar em ambientes internos.
Especificações Principais do Sistema
| PARÂMETROS | MIN | TIP | MÁX | UNID |
|---|---|---|---|---|
| Tensão de entrada | 35 | - | 42 | V |
| Corrente de saída (LED) | 0 | - | 700 | mA |
| Frequência de comutação | - | 600 | - | kHz |
| Frequência de dimerização PWM | 200 | - | 5000 | Hz |
| Tensão direta do LED quente | 34 | 37 | 40 | V |
| Tensão direta do LED frio | 35 | 38 | 41 | V |
| Temperatura de operação | -30 | - | 100 | °C |
Diagrama de Blocos do Sistema
A arquitetura do sistema é construída em torno do kit SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, que controla dois drivers de LED buck TPS92513HV para as cadeias de LED quente e frio. O design inclui:
- CC2650 Wireless MCU: Gera sinais PWM para controle de dimerização e gerencia conectividade Bluetooth
- Drivers de LED Buck TPS92513HV: Dois drivers independentes para cadeias de LED quente e frio com ajuste analógico de corrente integrado
- Amplificadores operacionais OPA376: Sinal PWM filtrado em configuração buffer para controle de dimmer analógico
- Sensor de Luz Ambiente OPT3001: Permite aproveitamento de luz natural e saída de lúmens constante
- Sensor de Temperatura LMT84: Monitora a temperatura do dissipador de calor para proteção térmica
- Filtros Passa-Baixa RC: Converter sinais PWM em tensões analógicas para definição de referência de corrente
Nota de Projeto: O sistema aceita entrada de 35-42V CC e aciona um LED COB branco ajustável de 35W com cadeias separadas de LEDs quentes e frios, permitindo ajuste de temperatura de cor de 2500K a 5700K.
Componentes Destacados
TPS92513HV
Regulador de corrente step-down (buck) de 1,5 A com MOSFET integrado para acionamento de LEDs de alta corrente.
- Faixa de tensão de entrada de 4,5 a 60V
- Precisão de corrente LED de ±5%
- Frequência de comutação de 100kHz a 2MHz
- Entrada dedicada para dimerização PWM
- MOSFET superior integrado de 220 mΩ
CC2650
Microcontrolador sem foco para aplicações Bluetooth Smart, ZigBee e 6LoWPAN.
- Processador ARM Cortex-M3 de 32 bits a 48MHz
- Controlador de sensores de consumo ultrabaixo
- Controlador BLE incorporado na ROM
- 128 KB de Flash, 20 KB de SRAM
- Conjunto rico de periféricos incluindo I²C, UART, SPI
OPT3001
Sensor de luz ambiente com filtragem óptica de precisão para corresponder à resposta do olho humano.
- Rejects >99% of IR
- Faixa de medição de 0,01 lux a 83k lux
- Faixa dinâmica efetiva de 23 bits
- Baixa corrente de operação: 1,8µA
- Saída digital compatível com I²C
OPA376
Amplificador operacional de baixo ruído com e-trim, oferecendo excelente precisão DC e desempenho AC.
- Baixo ruído: 7.5 nV/√Hz a 1 kHz
- Baixa tensão de offset: 5µV típico
- Produto de ganho-largura de banda de 5.5 MHz
- Entrada e saída rail-to-rail
- Tensão de alimentação de 2,2V a 5,5V
LMT84
Sensor de temperatura CMOS de precisão com saída de tensão analógica inversamente proporcional à temperatura.
- Precisão típica de ±0,4°C
- Faixa de temperatura de -50°C a 150°C
- Baixa corrente de repouso de 5,4 µA
- Ganho médio do sensor de -5,5 mV/°C
- Baixa tensão de operação de 1,5 V
Teoria do Design do Sistema
LEDs exigem acionamento de corrente constante e a luz branca ajustável requer que a corrente em duas cadeias de LEDs separadas seja variada e controlada. Uma luminária de LED de branco ajustável requer uma fonte de alimentação CA-CC de tensão constante combinada com dois controladores de corrente buck CC-CC para variar a corrente através das cadeias de LEDs.
A plataforma TIDA-01096 utiliza dois drivers de LED buck TPS92513HV com ajuste analógico de corrente integrado para controlar a corrente através das cadeias de LEDs quentes e frios. Os drivers de LED TPS92513/HV possuem entradas separadas para dimerização analógica e por modulação por largura de pulso (PWM), permitindo um controle de brilho sem comprometimento para alcançar razões de contraste superiores a 100:1.
Os drivers de LED buck são controlados pelo kit SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, que gera dois sinais PWM para dimerização PWM de ambas as cadeias. A realização da dimerização analógica requer duas entradas analógicas variáveis para configurar o IADJ dos drivers. O IADJ variável é obtido utilizando o PWM do dispositivo CC2650 como um conversor digital-analógico (DAC). Neste processo, o PWM gerado pelo dispositivo CC2650 é filtrado por um filtro RC passa-baixa de quatro estágios, e a saída filtrada é armazenada em buffer usando o amp-op OPA376.
Equações de Projeto
O projeto inclui cálculos abrangentes para:
- Configuração de Bloqueio por Subtensão: R1=120kΩ e R6=5kΩ definem UVLO em 30,5V
- Frequência de Comutação: RRT=190,63kΩ define fSW=600kHz
- Definição de Corrente do LED: RISENSE=0.05Ω para corrente máxima de LED de 700mA
- Filtro de Dimmer Analógico: Filtro RC de quatro estágios com frequência de corte de 391Hz
- Seleção do Indutor: Calculado para corrente de ripple de 275mA em plena carga
- Capacitor de Saída: 4.7μF selecionado para obter uma corrente de ripple no LED de 5mA
Técnicas de Dimmer
O projeto implementa três métodos distintos de dimerização para oferecer flexibilidade e otimizar o desempenho em diferentes condições operacionais:
Dimmer Analógico
Utilização do pino IADJ para definir dinamicamente a corrente do LED. Mais eficiente com menos EMI, mas pode causar variação de temperatura de cor em correntes muito baixas.
- Utiliza PWM filtrado através de filtro RC de 4 estágios
- Oferece resolução de 12 bits
- Maior eficiência: até 98%
- Proporção de contraste de 1:25
PWM Dimming
Utilização do pino PDIM para ativar/desativar o driver de porta. Evita problemas de temperatura de cor em baixas correntes e fornece maior resolução.
- Faixa de frequência de 200Hz a 5kHz
- Controlo direto do driver de porta
- Melhor linearidade de dimerização em baixas correntes
- Proporção de contraste 1:50
Hybrid Dimming
Combina ambos os métodos - analógico para eficiência e PWM para ajuste fino e melhor resolução em baixas correntes.
- Otimiza eficiência e resolução
- Analógico para faixa principal de dimerização
- PWM para ajuste fino em baixas correntes
- O melhor de ambas as técnicas
Operação Livre de Cintilação: O projeto pode atingir operação livre de cintilação com corrente de saída até 6mA através da modificação do resistor de detecção de corrente de 50mΩ para 250mΩ, permitindo iluminação de alta qualidade mesmo em níveis de brilho muito baixos.
Test Data & Performance
Testes abrangentes demonstram o excelente desempenho do projeto em diversas condições operacionais:
Desempenho de Eficiência
- Dimmer Analógico: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- PWM Dimming (1kHz): Eficiência de 97,39% com ciclo de trabalho de 100%, diminuindo gradualmente para 84,88% com ciclo de trabalho de 3%
- Dimmer PWM (5kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Variação da Tensão de Entrada: A eficiência mantém-se acima de 97% na faixa de entrada de 35V a 48V
Desempenho de Branco Ajustável
O sistema mantém eficientemente o ajuste de temperatura de cor em diferentes níveis de brilho:
- Brilho de 100%: A eficiência do sistema varia de 97.27% (branco frio) a 98.15% (branco quente)
- Brilho de 75%: A eficiência varia de 97,24% a 98,01% entre as temperaturas de cor
- 50% de Brilho: A eficiência varia de 97,18% a 98,31% ao longo da faixa de ajuste
Desempenho do Sensor
- Sensor de Luz Ambiente OPT3001: Fornece medições precisas de lux de 2,57 lux a 12.902 lux
- Sensor de Temperatura LMT84: Monitora a temperatura do dissipador de calor de 36,21°C a 61,60°C sob várias condições de carga
Design Files & Resources
O pacote de design completo inclui todos os arquivos necessários para implementação:
- Schematics: Diagramas de circuito completos para o sistema LED driver
- Lista de Materiais: Lista de componentes abrangente com referências do fabricante
- Layout da PCB: Arquivos Gerber e recomendações de layout
- Projeto Altium: Arquivos completos do projeto de design
- Desenhos de Montagem: Instruções detalhadas de montagem
- Arquivos de Software: Firmware para MCU CC2650 com conectividade BLE
Áreas de Aplicação: Este projeto de referência é ideal para iluminação LED interna (residencial, varejo, hospitalidade, iluminação de destaque), sistemas de iluminação conectada sem fio e aplicações de iluminação LED DC de baixa tensão que exigem controle preciso de temperatura de cor e conectividade sem fio.
Nota: O resumo acima é uma compilação abrangente do design de referência. O documento PDF completo contém esquemas detalhados, diretrizes de layout, detalhes de implementação de firmware e extensos dados de teste. Recomendamos o download do PDF integral para obter todos os detalhes de implementação.