Обзор конструкции
TIDA-01096 TI Design представляет собой протестированную подсистему драйвера светодиодов постоянного тока для регулируемых светильников с белыми светодиодами. Конструкция построена на платформе беспроводной системы на кристалле (SoC), которая позволяет регулировать интенсивность (диммирование) и коррелированную цветовую температуру (CCT) с помощью любого устройства с Bluetooth Low Energy (BLE).
Ключевое нововведение: Светильники с регулируемой белой подсветкой имитируют условия дневного света. Конструкция с раздельными тёплыми и холодными белыми светодиодными цепями позволяет регулировать CCT, что способствует правильной циркадной стимуляции для оздоровительных применений.
Ключевые эксплуатационные характеристики
Key Features & Benefits
Высокоэффективная работа
КПД 98% в диапазоне яркости от 100% до 50% при аналоговом диммировании, что снижает энергопотребление и тепловыделение в системах LED-освещения.
Расширенные возможности диммирования
Коэффициент контрастности 1:25 при аналоговом диммировании и 1:50 при ШИМ-диммировании обеспечивает точное управление яркостью для различных сценариев освещения.
Беспроводное управление через Bluetooth
Bluetooth Smart connectivity позволяет осуществлять беспроводное управление интенсивностью и цветовой температурой с помощью смартфонов или других устройств с BLE.
Детектирование окружающего освещения
Измерение освещенности на базе OPT3001, позволяющее реализовать в программном обеспечении сбор дневного света и поддержание постоянной световой отдачи для повышения энергоэффективности.
Комплексная защита
Защита драйвера и светодиодного модуля от перегрузки по току и перегрева обеспечивает надежную работу и увеличенный срок службы.
Поддержка циркадного освещения
Регулируемая белая опция поддерживает применение для благополучия человека путем имитации условий естественного дневного света в течение дня.
Обзор детального содержания
Содержание документа
Обзор системы
Светодиоды (LED) все чаще используются в качестве источников света. На момент написания статьи акцент в освещении смещается от простого освещения зон с постоянной светоотдачей к обеспечению качественного и контролируемого светового потока. Высококачественное освещение с регулируемой интенсивностью и коррелированной цветовой температурой играет ключевую роль в улучшении архитектуры и благополучия человека.
Для изменения цветовой температуры белого света разработчик может использовать комбинацию тёплых светодиодов (цветовая температура около 2500 K) и холодных светодиодов (цветовая температура около 5700 K). Доступны регулируемые белые chip-on-board (COB) светодиоды с двумя отдельными цепями. Изменяя ток через цепи, разработчик может создавать цветовые температуры в диапазоне от 2500 K до 5700 K.
Регулируемый модуль белых светодиодов с драйверами может использоваться как платформа для циркадного освещения, направленного на улучшение самочувствия человека. Освещение оказывает глубокое влияние на сон, бдительность, рабочую эффективность и здоровье. Регулируемая система белого светодиодного освещения может использоваться для правильного поддержания циркадного ритма, обеспечивая необходимое количество белого и тёплого света, что улучшает самочувствие в условиях закрытых помещений.
Ключевые характеристики системы
| ПАРАМЕТРЫ | МИН | ТИП | МАКС | ЕД.ИЗМ |
|---|---|---|---|---|
| Входное напряжение | 35 | - | 42 | V |
| Выходной ток (светодиода) | 0 | - | 700 | мА |
| Частота коммутации | - | 600 | - | кГц |
| Частота ШИМ-диммирования | 200 | - | 5000 | Гц |
| Прямое напряжение тёплого светодиода | 34 | 37 | 40 | V |
| Прямое напряжение светодиода в холодном состоянии | 35 | 38 | 41 | V |
| Рабочая температура | -30 | - | 100 | °C |
Структурная схема системы
Архитектура системы построена на базе набора SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kit, который управляет двумя понижающими драйверами светодиодов TPS92513HV для тёплой и холодной цепочек светодиодов. Конструкция включает:
- CC2650 Wireless MCU: Генерирует ШИМ-сигналы для регулировки яркости и управляет подключением по Bluetooth
- Драйверы светодиодов TPS92513HV Buck: Два независимых драйвера для тёплых и холодных светодиодных цепочек с интегрированной аналоговой регулировкой тока
- Операционные усилители OPA376: Буферизация отфильтрованных ШИМ-сигналов для аналогового регулирования яркости
- OPT3001 Ambient Light Sensor: Обеспечивает сбор дневного света и поддержание постоянного светового потока
- LMT84 Temperature Sensor: Мониторит температуру радиатора для обеспечения тепловой защиты
- RC Low-Pass Filters: Преобразование ШИМ-сигналов в аналоговые напряжения для установки опорного тока
Примечание по проектированию: Система принимает входное напряжение постоянного тока 35-42 В и управляет 35-ваттной регулируемой белой светодиодной сборкой COB с раздельными цепями тёплых и холодных светодиодов, обеспечивая регулировку цветовой температуры в диапазоне от 2500K до 5700K.
Выделенные компоненты
TPS92513HV
Понижающий стабилизатор тока на 1,5 А с интегрированным MOSFET-транзистором для управления мощными светодиодами.
- Диапазон входного напряжения 4,5–60 В
- Точность тока светодиода ±5%
- Рабочая частота преобразования от 100 кГц до 2 МГц
- Выделенный вход для ШИМ-регулировки яркости
- Интегрированный высоковольтный MOSFET 220 мОм
CC2650
Беспроводной микроконтроллер для приложений Bluetooth Smart, ZigBee и 6LoWPAN.
- 32-битный процессор ARM Cortex-M3 с тактовой частотой 48 МГц
- Сверхмалоэнергоёмкий контроллер датчиков
- Контроллер BLE, встроенный в ПЗУ
- 128 КБ Flash, 20 КБ SRAM
- Богатый набор периферийных устройств, включая I²C, UART, SPI
OPT3001
Датчик внешней освещенности с прецизионной оптической фильтрацией, соответствующей спектральной чувствительности человеческого глаза.
- Rejects >99% of IR
- Диапазон измерений от 0,01 люкс до 83 тыс. люкс
- Эффективный динамический диапазон 23 бит
- Низкий рабочий ток: 1,8 мкА
- Совместимый с I²C цифровой выход
OPA376
Операционный усилитель с низким уровнем шума и технологией e-trim, обеспечивающий превосходную точность по постоянному току и высокие динамические характеристики.
- Низкий уровень шума: 7.5 nV/√Hz на частоте 1 кГц
- Низкое напряжение смещения: типовое значение 5µV
- Произведение коэффициента усиления на полосу пропускания: 5.5 МГц
- Rail-to-rail вход и выход
- Напряжение питания от 2,2 В до 5,5 В
LMT84
Прецизионный КМОП-датчик температуры с аналоговым выходным напряжением, обратно пропорциональным температуре.
- Типичная точность ±0,4°C
- Диапазон измеряемых температур от -50°C до 150°C
- Низкий ток покоя 5,4 мкА
- Средний коэффициент датчика -5,5 мВ/°C
- Низкое рабочее напряжение 1,5 В
Теория проектирования систем
Светодиоды требуют постоянного тока, а регулируемый белый свет требует изменения и контроля тока в двух отдельных цепях светодиодов. Регулируемый белый светодиодный светильник требует источник питания AC-DC с постоянным напряжением в сочетании с двумя понижающими контроллерами тока DC-DC для изменения тока через цепочки светодиодов.
Платформа TIDA-01096 использует два понижающих светодиодных драйвера TPS92513HV со встроенной аналоговой регулировкой тока для управления током через тёплые и холодные светодиодные цепочки. Драйверы TPS92513/HV имеют раздельные входы для аналогового и ШИМ-диммирования, обеспечивая бескомпромиссный контроль яркости для достижения коэффициента контрастности свыше 100:1.
Понижающие светодиодные драйверы управляются набором SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad, который генерирует два ШИМ-сигнала для ШИМ-диммирования обеих цепочек. Для реализации аналогового диммирования требуются два переменных аналоговых входа для установки параметра IADJ понижающих светодиодных драйверов. Переменный сигнал IADJ формируется с использованием ШИМ от устройства CC2650 в качестве цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В этом процессе ШИМ-сигнал от устройства CC2650 фильтруется четырёхкаскадным RC-фильтром нижних частот, а отфильтрованный сигнал буферизуется с помощью операционного усилителя OPA376.
Design Equations
Проект включает комплексные расчеты для:
- Настройка защиты от пониженного напряжения: R1=120kΩ и R6=5kΩ устанавливают порог UVLO на уровне 30.5V
- Частота коммутации: RRT=190.63kΩ задает fSW=600kHz
- Установка тока светодиода: RISENSE=0.05Ω для максимального тока светодиода 700mA
- Фильтр аналогового диммирования: Четырёхкаскадный RC-фильтр с частотой среза 391Hz
- Выбор индуктивности: Рассчитано для пульсаций тока 275 мА при полной нагрузке
- Выходной конденсатор: Ёмкость 4.7 мкФ выбрана для достижения пульсации тока светодиода 5 мА
Методы регулировки яркости
Конструкция реализует три различных метода регулировки яркости для обеспечения гибкости и оптимизации производительности в различных рабочих условиях:
Аналоговое регулирование яркости
Использование вывода IADJ для динамической установки тока светодиодов. Более высокая эффективность с меньшими электромагнитными помехами, но может вызывать изменение цветовой температуры при очень низких токах.
- Используется ШИМ, фильтруемый через 4-каскадный RC-фильтр
- Обеспечивает разрешение 12 бит
- Более высокая эффективность: до 98%
- Контрастность 1:25
ШИМ-регулировка яркости
Использование вывода PDIM для включения/отключения драйвера затвора. Предотвращает проблемы с цветовой температурой при низких токах и обеспечивает более высокое разрешение.
- Диапазон частот от 200 Гц до 5 кГц
- Прямое управление драйвером затвора
- Лучшая линейность регулировки яркости при низких токах
- Контрастность 1:50
Hybrid Dimming
Сочетает оба метода: аналоговый для эффективности и ШИМ для точной настройки и лучшего разрешения при низких токах.
- Оптимизирует эффективность и разрешение
- Аналоговый сигнал для основного диапазона регулирования яркости
- ШИМ для точной регулировки при низких токах
- Сочетание преимуществ обеих технологий
Бес мерцающий режим работы: Конструкция позволяет достичь бес мерцающего режима работы при токе нагрузки до 6 мА путем замены токоизмерительного резистора с 50 мОм на 250 мОм, обеспечивая высокое качество освещения даже при очень низких уровнях яркости.
Test Data & Performance
Комплексные испытания демонстрируют превосходные характеристики конструкции в различных рабочих условиях:
Efficiency Performance
- Аналоговое затемнение: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- ШИМ-затемнение (1кГц): КПД 97,39% при 100% рабочем цикле, плавно снижающийся до 84,88% при 3% рабочем цикле
- ШИМ-регулировка яркости (5кГц): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Изменение входного напряжения: Эффективность сохраняется выше 97% в диапазоне входного напряжения от 35В до 48В
Tunable White Performance
Система эффективно поддерживает настройку цветовой температуры на различных уровнях яркости:
- 100% Яркость: System efficiency ranges from 97.27% (cool white) to 98.15% (warm white)
- 75% Яркость: Эффективность варьируется от 97,24% до 98,01% для всех цветовых температур
- Яркость 50%: Эффективность варьируется от 97,18% до 98,31% во всем диапазоне регулировки
Производительность датчика
- OPT3001 Ambient Light Sensor: Обеспечивает точные измерения освещенности от 2,57 люкс до 12 902 люкс
- LMT84 Temperature Sensor: Контролирует температуру радиатора от 36,21°C до 61,60°C в различных условиях нагрузки
Design Files & Resources
Полный пакет проектирования включает все необходимые файлы для реализации:
- Схемы: Полные принципиальные схемы системы драйвера светодиодов
- Ведомость материалов: Исчерпывающий перечень компонентов с указанием производителей
- Компоновка печатной платы: Файлы Gerber и рекомендации по компоновке
- Проект Altium: Полные файлы проектирования
- Сборочные чертежи: Подробные инструкции по сборке
- Программные файлы: Прошивка для микроконтроллера CC2650 с поддержкой BLE
Области применения: Данное типовое решение идеально подходит для внутреннего светодиодного освещения (жилые, розничные и гостиничные помещения, акцентная подсветка), беспроводных подключенных систем освещения и низковольтных светодиодных приложений постоянного тока, требующих точного контроля цветовой температуры и беспроводного подключения.
Примечание: Выше представлено комплексное описание эталонной конструкции. Полная PDF-документация содержит детальные схемы, рекомендации по компоновке, особенности реализации прошивки и обширные тестовые данные. Для получения полной информации по реализации рекомендуем загрузить полную PDF-версию.