智能照明整體集成電源解決方案
發(fā)布時間:2021-03-09 來源:Zhihong Yu 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】智能照明被視為全球照明行業(yè)的新領(lǐng)域,因為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和互聯(lián)世界的發(fā)展趨勢是全球電子產(chǎn)品增長的主要驅(qū)動因素。業(yè)界目前對智能照明概念的應(yīng)用主要集中在光強(qiáng)度調(diào)光、照明色溫調(diào)節(jié)、環(huán)境感測和監(jiān)測方面。但將來,智能照明的應(yīng)用范圍將遠(yuǎn)不止這些,智能照明設(shè)備可以用作集線器,作為關(guān)鍵部件,集成到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和智能家居/智能自動化網(wǎng)絡(luò)中(1)。
本文將重點(diǎn)介紹智能照明(尤其是智能燈泡)的電源解決方案。
政府部門安裝智能照明系統(tǒng)的舉措、無線控制的普及和人們負(fù)擔(dān)能力的增長,以及人們不斷認(rèn)識到智能照明系統(tǒng)的益處,這些也是推動全球智能照明解決方案需求不斷增長的關(guān)鍵因素。 根據(jù)Research and Markets在2017年的一項研究,全球智能照明市場總規(guī)模2017年為68億美元,到2022年,預(yù)計將以25.44%的復(fù)合年增長率增長到212億美元(2)。
參考一些商用智能燈泡的拆解報告(例如Cree Connected Bulb(3)或Philips Hue(4)),智能燈泡的主要結(jié)構(gòu)基本一樣(請參見圖1)。一個恒定電流(CC)LED驅(qū)動器(例如MPS MP4027)驅(qū)動恒定電壓(CV)降壓驅(qū)動器(例如MPS MP15x和MP17x)以及主LED;同時提供5V或3.3V電壓,為 Zigbee / Wifi /藍(lán)牙/其他收發(fā)器IC和主微處理器提供電源。微處理器以及收發(fā)器IC,允許終端用戶使用移動設(shè)備遠(yuǎn)程控制照明。該控制模塊發(fā)送脈沖寬度調(diào)制(PWM)或其他數(shù)字信號(例如I 2C)來控制LED驅(qū)動器的調(diào)光。
圖1:目前主流的智能照明電源結(jié)構(gòu)
盡管這種拓?fù)淇雌饋砗芾硐?,但其功率級面臨兩個挑戰(zhàn):進(jìn)一步縮小解決方案尺寸,以及進(jìn)一步降低待機(jī)功耗。
A19和PAR燈泡尺寸符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),不會再增大。在普通燈泡上添加智能照明功能就意味著設(shè)計人員必須將更多的電子器件擠入同一空間,這是一個很大的挑戰(zhàn),而且空間限制可能會迫使設(shè)計人員使用更少的LED或更少的LED電源來簡化熱管理。有時,設(shè)計人員必須定制PCB的形狀來容納所有必需的電子器件,導(dǎo)致組裝成本增加。
此外,客戶和立法機(jī)構(gòu)也逐漸意識到待機(jī)功耗的重要性。 設(shè)計人員被期望設(shè)計出具有超低待機(jī)功耗的智能照明設(shè)備,從而使產(chǎn)品在嚴(yán)格的能耗標(biāo)準(zhǔn)之下具有一定吸引力或有銷路。例如,歐洲CoC Tier2要求額定功率在49W以下的所有外部電源待機(jī)損耗不超過75mW。預(yù)計在不久的將來,智能照明產(chǎn)品也將被期望滿足某些能源規(guī)范(5)。目前,由于使用了無線電路電源,許多智能燈泡具有很高的待機(jī)損耗,這是不可避免的,因此,待機(jī)損耗只能從功率級中節(jié)省下來。
為了進(jìn)一步縮小智能照明電路的尺寸并降低待機(jī)損耗,圖2給出了更佳的集成總電源解決方案。在這個方案中,CV和CC電路可以合并為單芯片解決方案,從而縮小電路BOM和待機(jī)損耗 。
圖2: 智能燈泡從現(xiàn)有功率級向新的電源解決方案轉(zhuǎn)換
通過采用圖2所示的解決方案,電路設(shè)計人員可以省掉一個控制IC、一個外部電感器以及其他電阻器和電容器,從而將智能燈泡電源部分的PCB空間和BOM成本降低至少20%至30%( 參見圖3)。
圖3: 現(xiàn)有功率級和新的電源解決方案BOM比較
此外,該解決方案可以實現(xiàn)低于20mW的系統(tǒng)待機(jī)功率,因為其電源部分高度集成,并且在空載或輕載情況下,可以通過優(yōu)化的最小工作頻率,在電源關(guān)閉時使更多的IC模塊處于休眠狀態(tài)。
圖4總結(jié)了MP4057A的工作模式。啟動期間,VDD由N_Forward繞組供電。然后IC通過監(jiān)視DIM引腳(由MCU本身控制)來確定它應(yīng)該以CV模式運(yùn)行(僅在LED熄滅時為MCU供電)還是以CC模式運(yùn)行(為MCU和LED同時供電)。
在CV模式下(DIM引腳為低電平),VCC為IC供電??梢哉{(diào)整N_flyback和Ns繞組的比率,以使LED在CV模式下不會點(diǎn)亮。 另外,通過一種智能調(diào)頻算法來確保低待機(jī)功耗和對LED負(fù)載變化的快速瞬態(tài)響應(yīng),并確保MCU電源上不會產(chǎn)生壓降,以及在CV / CC轉(zhuǎn)換期間LED不會閃爍。
圖4: 控制方法參考
如果DIM感測到來自MCU的PWM信號以控制調(diào)光,則IC進(jìn)入CC模式。通過讀取DIM來調(diào)制反饋電壓,并根據(jù)DIM占空比修改LED電流,同時保持CV輸出恒定。與CC模式一樣,MCU Vo引腳也必須足夠高,因此IC的最小LED調(diào)光深度限制為5%,以提供足夠的電壓來驅(qū)動MCU。 通過設(shè)置電流檢測電阻(Rs1和Rs2)的比率,Vo電源環(huán)路與主LED電流環(huán)路解耦。
至于LED電流控制,該解決方案實現(xiàn)了恒定導(dǎo)通時間(COT)控制模式,該模式保證了高功率因數(shù)。 開/關(guān)過渡發(fā)生在谷值切換期間(通過零電流檢測(ZCD)引腳進(jìn)行檢測),以消除導(dǎo)通損耗和二極管反向恢復(fù)損耗,這也稱為過渡模式控制。 該IC還包括其他功能,例如最短關(guān)斷時間(以改善EMI)、前沿消隱、過壓保護(hù)(OVP)、過流保護(hù)(OCP)、過熱保護(hù)(OTP)等。
圖5顯示了LED負(fù)載效率和功率因數(shù)性能,圖6顯示了線性度極佳的PWM調(diào)光性能。 圖7顯示了適用于所有PAR燈的8W參考設(shè)計電路板。另外,MP4057A為MCU提供3.3V電源,而MP4057B提供5V電源。
圖5: LED負(fù)載效率和典型功率因數(shù)
圖6: PWM調(diào)光率
圖7: EV4057A-K-00A評估板:
(長x寬x高)66mm x 25mm x 15mm
230Vac / 50Hz輸入,隔離式反激變換器,VLED = 21V,ILED = 0.37A,Vo = 3.3V,Io = 50mA
綜上所述,與現(xiàn)有解決方案相比,受IP保護(hù)的解決方案具有更高的系統(tǒng)密度和更低的成本。 要了解完整的AC / DC和照明控制器產(chǎn)品系列,請訪問 LED Lighting & Illumination page ,或聯(lián)系當(dāng)?shù)氐腗PS銷售部門。
1. http://www.researchandmarkets.com/research/8bnwls/smart_lighting
2. Lighting, LED and smart lighting market overview: https://energy.gov/sites/prod/files/2016/02/f29/smallwood_mktadoption_raleigh2016.pdf
3. Cree Connected LED Bulb Teardown: https://www.youtube.com/watch?v=q-hLMCeCnj0
4. Philips HUE (2016) LED Bulb Teardown: https://www.youtube.com/watch?v=4L1ZqvQ2qVU
5. New group pushes standards for IoT luminaires 2017/05: http://www.ledsmagazine.com/articles/2017/05/new-group-pushes-standards-for-iot-luminaires.html
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