一种设计灵活的LED驱动器的新方法

富昌电子(德国)的技术销售经理Peter Bensch在本文中介绍了一种为模块化LED灯具设计电源的方法，该方法结合了低BOM成本、低EMI，并在生产中实现了相当大的灵活性。该方法采用新开发的微控制器，具有特别定制的适用于LED电源系统的功能，使灯具制造商能够以更低的成本开发更多的产品，并能够经济地满足更多样化的客户需求。

标准电源的灵活性

电子行业为照明设备制造商提供了各种专为驱动LED而设计的现成的、已认证的电源模块。集成这种模块是一个快速和简单的任务。对于只想生产具有已知的、固定光输出的LED灯具的制造商来说，这是一个完美选择，因为标准的LED电源模块通常有一个固定的恒流或恒压输出。

但是，照明设备的市场既庞大又多样化。客户需求令人眼花缭乱的各种风格和尺寸、具有许多不同光输出电平的灯具。如果制造商为每个新产品设计全新的电源，则很难经济地满足这些多样化的需求。

一种更有效的方法是创建一个模块化电源系统平台，可以很容易、经济地进行修改，以便为各种终端产品供电。

但是，由于不同的照明需要不同的功率输出，现在市场上广泛使用的标准、固定输出的电源模块显得不够灵活。另一方面，模块化设计的关键是大多数元器件(包括电源)应该适用于所有的产品类型。

还有另一种方法可供系统设计人员选择：可以从一个单元提供一系列功率输出的可配置的电源模块;设计人员通过一个简单的行尾(end-of-line)编程程序选择所需的配置。因此，单个可配置的单元能够支持多种灯具设计。目前提供这种可编程模块的供应商有飞利浦照明(Xitanium系列)和Roal等。

新的模块化架构

但是，由于一种可提供特定照明功能的新型数字控制器的出现，使灯具制造商可能经济地实现一种新的模块化电源架构。它的运行方式类似于微控制器，因此设计人员能够轻松集成对照明应用有价值的额外功能。

这种新的架构使用控制器在可调光LED的并联灯串之间切换，如图1所示。控制器采用这种方式切换LED灯串可最大限度降低输入纹波电流，从而减少了电磁干扰的发生，并使物料清单(BOM)和认证成本降至最低。

通过改变灯串的数量和长度可以实现不同的灯具设计。外部AC-DC电源模块提供了一个高于最长LED灯串的正向电压的恒定电压。因此，通过单个通用的PCB设计能够实现几乎无限多种灯具电源。

图1：单个控制器能够可靠地控制多个LED灯串的电源

除了使系统设计更简单并加快产品上市时间，这种方法还有一个好处：传统的高强度LED灯具通常使用串联配置的LED长灯串。这种串联灯串的电源具有非常高的电压，需要隔离措施以确保安全。相比之下，多个并联的LED短灯串在一个安全的低电压下工作，因此不需要防触电保护。

防止过度的电磁干扰

实现这种架构时设计人员面临的主要问题是避免对电路板的过多开关操作产生有害的电磁干扰和纹波电流。对于在相同的开关频率下运行的同步PWM驱动器，需要避免干扰和潜在的可听噪声，就其本身而言，这是很容易做到的。但电路板上的敏感元件仍然有受到高峰值纹波电流损坏的风险。

电源开关周期的边沿会产生纹波电流。在有几个同步驱动电路的系统中，多个同时的边沿产生的纹波电流相结合，会产生极大的峰值纹波电流。

为了避免损坏其他电路元器件，需要使纹波电流峰值保持在一个较低的值。一种方法是使下降沿分开，不同时发生;平均纹波电流保持不变，但峰值纹波电流降低。可以通过驱动器开关的相移来实现这种交错。

在过去，这种复杂的设计在LED电源中可能被认为不可取。但目前半导体行业已经使这种设计比以前更容易实施。意法半导体新的MASTERLUX™系列数字控制器能够提供当今LED电源设计所需的功能，包括相移。

在意法半导体的首款MASTERLUX器件STLUX385A中，开关操作的相移是通过称为状态机事件驱动(SMED)的创新的数字技术而实现的。SMED是一款96MHz的状态机，在硬件中实现，并通过内部或外部事件触发。它替换并扩展了可能由传统微控制器的模拟模块提供的功能。

作为一个LED驱动器控制器，当它检测到过流或短路状态时，SMED会关闭调节回路并自动关闭驱动器。由于SMED完全在硬件内实现，所以它们能够保证事件反应时间比任何标准中断驱动微控制器处理器内核的反应时间短。这意味着每个LED通道所需的占空比能够如期执行，从而实现光强度的精确和可靠调节。

STLUX385A包含6个SMED;每个可以用来控制一个PWM LED驱动器。驱动器本身是在控制器外部(如离散降压稳压器中)实现的。意法半导体提供了一个SMED外设开发工具。它包括一个功能强大的图形SMED配置器，可直接生成C代码。设计人员输入每通道的LED数量、LED规格和流过LED的所需平均电流，然后该工具计算所需的占空比和PWM配置。STLUX385A也可以为LED光输出随时间的衰减提供自动补偿。

示例设计

通过学习意法半导体开发的一个示例，可以知道如何将STLUX385A 用于一个多通道LED设计中。其评估模块STEVAL385LED4CH包括运行效率高达98%的四个相移LED通道，全部由单个STLUX385A控制。

该评估板可通过多种方式进行配置，从而为许多灯具厂商的平台电源设计提供了一个良好的起点。它可以在12V至48V之间的任何直流输入下工作。该电源可驱动每通道3至10个LED并调光，最大总功率为200W。

意法半导体没有选择通用的降压转换器拓扑结构，如图2所示。相反，该​​系统采用了反向的降压拓扑结构来控制一个低成本N型MOSFET，无需升压电容。这降低了BoM成本，并且能够实现简便的、以地为参考的开关电流测量。

图2：常见的降压转换器电路(上)和STLUX385A演示系统中使用的反向降压转换器拓扑(下)

如图3所示，在LED通道0的原理图中，L3、D4和C11构成反向降压电路。D6是一个肖特基二极管，用于在LED灯串开路时保护电路。栅极驱动器U2用于驱动LED正向电压：它们比采用3.3V电源供电的STLUX385A的直接驱动能力更高。R28和R29分流电阻与R23/C14构成的尖峰滤波器配合，用于测量开关电流。Q4和U5用于捕捉LED电压，以实现STLUX385A的保护功能。

通过在控制器中适当地配置PWM信号，四个LED通道的电源电路可以进行相移，以避免产生高峰值纹波电流，如图4所示。

图3：STLUX385A的PWM信号用于控制每个LED通道的反向降压转换器

图4：可以简便地配置STLUX385A中的SMED外设，实现多达六个LED通道的开关操作的相移

以上所述的PWM控制功能是实现LED灯具的模块化电源设计的主要功能。但使用集成控制器的另一个优点是，它提供了对LED照明系统有用的其他功能。包括：

内置的控制接口支持，如DALI、DMX-512、KNX(与外部KNX收发器，如安森美半导体的NCN5120串联)，以及1-10V控制支持

灵活的上升斜坡/下降斜坡波形

当与数字环境光传感器(如Avago Technologies的APDS-9301、ROHM的BH1721FVC或AMS的TSL4531)结合时，可以实现环境光自动调节。

结论

STLUX385A提供了创建一个高效的、非常灵活和强大的LED灯具驱动器所需的所有必要控制功能。所提出的系统解决方案通过使用交错的开关方案，将EMI保持在安全范围内，并且通过使用一个安全的低电压来满足安全要求。同时，该解决方案经济高效，因为开关方案可使用单个低成本控制器控制多达六个独立的LED灯串。