高效能可調式白光LED直流-直流驅動器

具備 Bluetooth® Smart 連線功能參考設計

TEXAS INSTRUMENTS | TIDA-01096 | 2016年8月

檢視PDF 下載 PDF 翻譯 PDF

設計概述

TIDA-01096 TI Design 是經過驗證的直流-直流 LED 驅動子系統，適用於可調式白光 LED 照明裝置。此設計基於無線系統單晶片（SoC）平台，可透過任何 Bluetooth low energy（BLE）裝置實現亮度調節（調光）與相關色溫（CCT）控制。

關鍵創新： 可調白光燈具模擬日光條件。透過獨立暖白光與冷白光LED燈串設計，實現色溫調節功能，有助於在人本健康應用中達成適切的晝節律刺激。

關鍵性能規格

98%
類比調光峰值效率
1:50
PWM調光對比度
5 kHz
最大PWM調光頻率
700 mA
每串最大LED電流

Key Features & Benefits

高效率運作

在類比調光下，亮度從100%至50%範圍內維持98%效能，降低LED照明系統的能耗與熱量產生

先進調光功能

類比調光對比度1:25，PWM調光對比度1:50，為各種照明場景提供精確亮度控制

無線藍牙控制

Bluetooth Smart連線功能可透過智慧型手機或其他BLE裝置無線控制亮度與色溫

環境光感應

基於 OPT3001 的光線量測技術，可透過軟體實現日光採集與恆定流明功能以提升能源效率

全面防護

驅動器與LED模組的過電流及過溫保護可確保可靠運作並延長使用壽命

晝夜節律照明支援

可調白光功能透過模擬全天的自然日光條件，支援人類健康應用

詳細內容概述

文件內容

系統概觀

發光二極體（LEDs）正逐漸被廣泛用作光源。在撰寫本文時，照明技術的重心正從單純以恆定光輸出照亮區域，轉向提供高品質且可控制的光輸出。具備可調光強與可調色溫的高品質照明，對於提升建築美學與人類健康福祉扮演著關鍵角色。

若要調整白光的色溫，設計師可以結合使用暖色LED（色溫約2500 K）與冷色LED（色溫約5700 K）。可調式白色晶片封裝（COB）LED具備兩組獨立串聯電路，透過調整流經電路的電流，設計師可創造出2500 K至5700 K範圍的色溫。

搭載驅動器的可調白光LED引擎可作為晝夜節律照明平台，專注於人類健康福祉。照明對睡眠、警覺性、工作效率及健康具有深遠影響。可調式白光LED照明系統能妥善維持晝夜節律，提供適量的白光與暖光，從而改善室內環境的健康效益。

關鍵系統規格

PARAMETERS MIN 典型值 最大值 單位
輸入電壓 35 - 42 V
輸出（LED）電流 0 - 700 mA
切換頻率 - 600 - kHz
PWM 調光頻率 200 - 5000 Hz
暖色LED順向電壓 34 37 40 V
冷態LED順向電壓 35 38 41 V
操作溫度 -30 - 100 °C

系統方塊圖

系統架構以 SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kit 為核心，該套件控制兩個 TPS92513HV 降壓 LED 驅動器，分別用於暖白光與冷白光 LED 燈串。設計包含：

  • CC2650 Wireless MCU： 產生PWM信號用於調光控制並管理藍牙連接功能
  • TPS92513HV 降壓型LED驅動器： 具備整合式類比電流調節的雙獨立驅動器，分別用於暖色與冷色LED燈串
  • OPA376 運算放大器： 緩衝濾波後的 PWM 信號用於類比調光控制
  • OPT3001 環境光感測器： 實現日光採集與恆定流明輸出
  • LMT84 溫度感測器： 監測散熱片溫度以實現熱保護
  • RC 低通濾波器： 將PWM信號轉換為類比電壓以設定電流參考

設計筆記： 本系統接受35-42V直流輸入，驅動35W可調光白色LED COB，具獨立暖色與冷色LED串流，實現2500K至5700K色溫調節

重點元件

TPS92513HV

1.5-A 降壓 (buck) 電流調節器，內建 MOSFET 用於驅動高電流 LED

  • 4.5-60V 輸入電壓範圍
  • ±5% LED 電流精確度
  • 100kHz 至 2MHz 切換頻率
  • 專用PWM調光輸入
  • 整合式220-mΩ高側MOSFET

CC2650

針對 Bluetooth Smart、ZigBee 及 6LoWPAN 應用的無線微控制器

  • 32 位元 ARM Cortex-M3 處理器，運作頻率 48MHz
  • 超低功耗感測器控制器
  • 內嵌於 ROM 的 BLE 控制器
  • 128KB Flash，20KB SRAM
  • 豐富周邊設備組合，包含 I²C、UART、SPI

OPT3001

具備精密光學濾波功能、符合人眼反應的環境光感測器

  • Rejects >99% of IR
  • 0.01 lux 至 83k lux 量測範圍
  • 23位元有效動態範圍
  • 低工作電流：1.8µA
  • I²C 相容數位輸出

OPA376

具備 e-trim 技術的低雜訊運算放大器，提供卓越的直流精度與交流性能。

  • 低雜訊：1 kHz 時僅 7.5 nV/√Hz
  • 低偏移電壓：典型值 5µV
  • 5.5 MHz 增益頻寬乘積
  • 軌對軌輸入與輸出
  • 2.2V 至 5.5V 電源電壓

LMT84

精密CMOS溫度感測器，具備與溫度成反比的類比輸出電壓

  • ±0.4°C 典型精準度
  • -50°C 至 150°C 溫度範圍
  • 低 5.4-µA 靜態電流
  • -5.5 mV/°C 平均感測器增益
  • 低 1.5-V 操作電壓

System Design Theory

LED 需要恆定電流驅動，可調白光則需對兩組獨立 LED 燈串的電流進行調變與控制。可調白光 LED 照明裝置需結合交流-直流恆壓電源與兩個直流-直流降壓電流控制器，以調節流經 LED 燈串的電流。

TIDA-01096 平台採用兩顆 TPS92513HV 降壓 LED 驅動器，其整合類比電流調節功能，可控制流經暖色與冷色 LED 燈串的電流。TPS92513/HV LED 驅動器具備獨立輸入端，用於類比與脈衝寬度調變 (PWM) 調光，實現無妥協的亮度控制，達成超過 100:1 的對比度。

降壓 LED 驅動器由 SimpleLink CC2650 無線微控制器 LaunchPad 開發套件控制，該套件產生兩組 PWM 信號用於雙燈串的 PWM 調光。要實現類比調光需使用兩個可變類比輸入來設定降壓 LED 驅動器的 IADJ。可變 IADJ 是將 CC2650 裝置的 PWM 作為數位類比轉換器 (DAC) 來產生。此過程中，CC2650 產生的 PWM 會經過四階低通 RC 濾波器濾波，並透過運算放大器 OPA376 對濾波後輸出進行緩衝。

Design Equations

本設計包含以下完整計算：

  • Undervoltage Lockout Setting: R1=120kΩ 與 R6=5kΩ 將 UVLO 設定為 30.5V
  • 切換頻率： RRT=190.63kΩ 設定 fSW=600kHz
  • LED 電流設定： RISENSE=0.05Ω 對應最大 700mA LED 電流
  • 類比調光濾波器： 四階 RC 濾波器，截止頻率為 391Hz
  • 電感選擇： 以滿載時275mA漣波電流計算
  • 輸出電容： 選用4.7μF電容以達成5mA LED漣波電流

調光技術

本設計採用三種獨特的調光方法，以提供靈活性並針對不同操作條件優化性能：

類比調光

使用IADJ引腳動態設定LED電流。效率更高且EMI較少，但在極低電流下可能導致色溫變化

  • 採用經四級RC濾波器濾波的PWM
  • 提供12位元解析度
  • 更高效率：可達98%
  • 1:25 對比度

PWM 調光

使用 PDIM 引腳啟用/禁用閘極驅動器。可避免低電流下的色溫問題並提供更高解析度。

  • 200Hz至5kHz頻率範圍
  • 直接控制閘極驅動器
  • 低電流下更佳的調光線性度
  • 1:50 對比度

Hybrid Dimming

結合兩種方法 - 類比調光用於提升效率，PWM調光用於微調及在低電流下實現更佳解析度

  • 優化效率與解析度
  • 主調光範圍類比訊號
  • 低電流微調PWM訊號
  • 雙重技術優勢整合

無閃爍操作： 透過將電流檢測電阻從50mΩ修改為250mΩ，該設計可實現低至6mA輸出電流的無閃爍操作，即使在極低亮度水平下也能提供高品質照明。

Test Data & Performance

全面測試顯示該設計在各種操作條件下均展現卓越性能：

效率性能

  • 類比調光： 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
  • PWM調光（1kHz）： 在100%工作週期下效率達97.39%，隨工作週期降低至3%時效率逐漸下降至84.88%
  • PWM調光（5kHz）： 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
  • 輸入電壓變動： 在35V至48V輸入電壓範圍內，效率始終維持97%以上

可調白光性能

該系統能有效維持不同亮度層級的色溫調節功能：

  • 100% 亮度： 系統效率範圍從 97.27%（冷白光）至 98.15%（暖白光）
  • 75% 亮度： 效率範圍在色溫區間內為 97.24% 至 98.01%
  • 50% 亮度： 效率範圍在調光區間內為 97.18% 至 98.31%

感測器效能

  • OPT3001 環境光感測器： 提供從 2.57 lux 到 12,902 lux 的精確照度測量
  • LMT84 溫度感測器： 在各種負載條件下監測散熱片溫度，範圍從 36.21°C 到 61.60°C

Design Files & Resources

完整設計套件包含實作所需的所有必要檔案：

  • 電路圖： LED 驅動系統完整電路圖
  • 物料清單： 含製造商參考資料的完整零件清單
  • PCB 佈線圖： Gerber 檔案與佈局建議
  • Altium 專案： 完整設計專案檔案
  • 組裝圖： 詳細組裝說明
  • 軟體檔案： 適用於具備BLE連線功能的CC2650微控制器韌體

應用領域： 本參考設計非常適合室內LED照明（住宅、零售、酒店、情境照明）、無線連網照明系統，以及需要精確色溫控制與無線連線功能的低壓直流LED照明應用。

注意： 以上為參考設計的完整摘要。完整的PDF文件包含詳細的電路圖、佈局指南、韌體實作細節及大量測試數據。建議下載完整PDF文件以獲取全面實作細節。