基于CC2650的LED照明解決方案

在發(fā)達國家，效率推動著創(chuàng)新。在追求提高效率的過程中，一個正在發(fā)生重大變化的領域是照明。固態(tài)照明主要以基于半導體的 LED 形式（盡管有機 LED 和聚合物 LED 正在不斷涌現），繼續(xù)取代傳統(tǒng)和更節(jié)能的照明形式，如白熾燈、緊湊型熒光燈和氣體放電燈。

雖然 LED 照明提供了固有的節(jié)能效果，但它可能會以設計復雜性為代價。驅動 LED 燈所需的控制電路充其量只是一種 AC-DC 轉換器，但通常會包括某種程度的智能控制。雖然這種增加的復雜性可能會增加成本，但經過精心設計后，可以產生一種以適當價格提供巨大價值的 LED 照明解決方案。

LED 照明的最終應用幾乎是無限的，從低水平消費照明到高棚工業(yè)、廚柜，再到街道照明。包括智能調光、連接性和遠程管理等特性的前景使得向 LED 照明的轉變成為一種非常有說服力的觀點，持續(xù)贏得決策者的支持。

開發(fā)一套完整的 LED 照明解決方案涉及對多個功能的集成，其中包括帶功率因數校正 （PFC） 的 AC 整流、DC-DC 轉換和 LED 控制。如果將連接性添加到此范圍內，以提供更具前瞻性的解決方案，那么設計挑戰(zhàn)將會進一步增加。

雖然 LED 本質上比其他形式的照明更高效，但為了保持這一優(yōu)勢，解決方案的每個階段都必須提供最佳效率。這與開發(fā)傳統(tǒng)照明解決方案有很大不同，但卻是必要的。另一個影響 LED 照明的重要趨勢是向數字控制電源轉換的轉變。通過在整體拓撲中包含數字電源，可以實現更高效、更靈活的解決方案。如果在設計過程中采用全數字化方法，那么可以將大量功能集成到較少數量的器件中。微控制器非常適合提供這種級別的功能和靈活性。

雖然 AC 轉換是解決方案的主要部分，但從單個 DC 電源運行多個獨立的 LED 照明電路是完全可行的，只需使用一個 AC 轉換級即可優(yōu)化整體設計。在這種情況下，需要單獨考慮解決方案的其余部分，通過增值特性為成本優(yōu)化創(chuàng)造更多的可能性。

為照明裝置添加控制和連接性是一項重大的發(fā)展，因為它能將照明系統(tǒng)集成到建筑管理系統(tǒng) （BMS） 中，或作為智能家居的一部分。LED 照明的一個優(yōu)勢是其穩(wěn)健性：燈光可以變暗，也可以更頻繁地打開/關閉，而不會影響其使用壽命或產生浪涌電流。LED 燈還提供了更大的位置靈活性，從而實現更多的分布式安裝和更廣泛的工作條件。所有這些特性都增加了 LED 照明的吸引力，但需要更高的控制水平。

為了解決這一設計挑戰(zhàn)，參考設計正在不斷涌現。Texas Instruments 開發(fā)的 DC-DC LED 驅動器子系統(tǒng)參考設計雖然不能作為組裝好的 PCB 購買，但已經過全面的測試，并提供了所有說明文檔（BOM、原理圖、PCB Gerber）。圖 1 顯示了該參考設計的框圖。

TIDA-01096 是 TI 的高能效、可調白光 LED DC-DC 驅動器，帶有智能藍牙連接參考設計，為工程師提供了一個用于開發(fā)智能照明解決方案的完整硬件和軟件平臺。

通過在一個燈具中結合使用暖白光和冷白光 LED 燈串，可以模擬住宅和零售環(huán)境中室內照明的日光條件。TIDA-01096 專用于這一應用領域，并使用若干高級元器件在廣泛的工作條件下實現 98％ 的效率。

該參考設計旨在用作一個互聯 LED 驅動器，其中一個主要差異化特性是其連接性，它采用智能藍牙的形式。此功能完全集成到設計所選的 MCU 中，由 TI 另外開發(fā)的軟件資源提供支持。該功能連同設計中的其他主要元器件提供了一系列“智能”特性，如調光、色溫調節(jié)和日光收集。由于該設計旨在控制 LED 燈串以模擬日光，因此也可以用于創(chuàng)造經證明具有健康保健優(yōu)勢的晝夜節(jié)律。

對于 LED 產生不同級別輸出的功能，其使用需要一個集成式解決方案。其中一種產品是具有集成模擬電流調節(jié)的 TPS92513/HV 1.5 A 降壓型 LED 驅動器 — 參考設計中的主要元器件之一。當與 SimpleLink CC2650 多標準 MCU 結合使用時，它可為開發(fā)從穩(wěn)壓 DC 電源運行的智能 LED 照明系統(tǒng)提供完美的平臺。在設計中加入其他元器件后就形成了完整的原理圖，如下所述。

TPS92513/HV LED 驅動器專為一系列高功率照明應用（包括街燈、應急照明以及工業(yè)和零售照明）而開發(fā)，但同樣適用于小型家電。除了為模擬和 PWM 控制信號提供輸入外，它還具有集成的 N 通道高壓側 MOSFET。圖 2 顯示了如何使用該器件的簡化原理圖。

在參考設計中，使用了兩個器件來驅動兩個 LED 燈串。在此拓撲中，可以通過使用外部振蕩器來超控每個器件的內部振蕩器，從而實現器件的同步。使用相同的時鐘源操作多個器件可避免在不同燈串上的 LED 之間產生不良影響（如頻率跳變），還可幫助最大限度地降低設計的整體 EMI。功能框圖如圖 3 所示。

同步是通過對 RT/CLK 引腳（引腳 5）施加一個介于 300 kHz 和 2 MHz 之間的方波來實現的。內部 MOSFET 的源位于引腳 10 上，標記為 PH。它的上升沿與 RT/CLK 信號的下降沿同步。

在參考設計中，可通過三種方式來實現調光：通過改變 IADJ 引腳（引腳 6）上的模擬輸入；采用數字方式對 PDIM 引腳（引腳 4）施加 PWM 信號；或兩者之組合。所有控制信號都由 SimpleLink CC2650 MCU 產生（見圖 4）。

由于模擬調光更有效，參考設計通過使用低通濾波器傳遞 PWM 信號來生成模擬信號，然后將其作為 PWM 信號的模擬平均值應用于 IADJ 引腳。該參考設計還支持模擬/PWM 調光控制組合，并支持同時使用模擬和 PWM 方法的無閃爍低 LED 電流調光。

SimpleLink CC2650 無線 MCU 與 LED 驅動器緊密協(xié)作，提供了兩個關鍵功能：驅動器的控制信號，以及以無線方式影響這些信號的功能。這樣，便可以從智能手機上運行的應用程序中調節(jié)光輸出或色溫，或者允許 BMS 將燈關閉、打開、調亮或調暗 — 可能使用語音指令。

當使用互聯系統(tǒng)時，這種可能性僅受限于想象力。由于 SimpleLink CC2650 是一種多標準的無線 MCU，因此可以支持藍牙、ZigBee 和 6LowPAN。強大且高效的 ARM? Cortex?-M3 內核可以容納與高層所選協(xié)議棧（在使用 CC2650 時，藍牙和 ZigBee 堆棧由 TI 免費提供）同時運行的用戶應用程序。該器件的射頻部分還集成了一個用于處理大部分堆棧的 ARM Cortex-M0 內核，以及基帶和模擬前端之間的接口。它使用 API 連接到主 CPU，旨在進一步簡化設計。

除了 LED 驅動器和無線 MCU 之外，參考設計還包括 OPT3001 數字環(huán)境光傳感器，這是一種與人眼的光譜響應高度匹配的光學傳感器。在參考設計中包含這種傳感器支持以下使用實例：調節(jié)光輸出以提供適合人類視覺的環(huán)境。設計中包含與 LED 散熱器連接的 LMT84 模擬輸出溫度傳感器，可避免熱擊穿。

圖 5 顯示了如何使用與 SimpleLink CC2650 LaunchPad 配對的 TIDA-01096 來配置基于參考設計的 LED 照明解決方案的硬件。該項目的固件是由 TI 作為代碼調試器項目開發(fā)的，可根據要求提供。

總結

固態(tài)照明有可能徹底改變我們對家庭、辦公室、工廠、交通樞紐和公共場所的照明方式。與現有的照明技術相比，它提供了顯著的成本優(yōu)勢。

半導體制造商對此進行了大量投資，現在有許多產品可以幫助工程師設計優(yōu)化的解決方案，以最大限度地利用 LED 照明的潛力。為此，以有線或無線通信的形式添加連接功能的做法日益流行。

開發(fā)一個包括無線連接的全功能、可調 LED 照明解決方案涉及兩個可能難以應對的設計挑戰(zhàn)，但隨著相關開發(fā)平臺和參考設計（如本文中所介紹）的出現，現在應對這些挑戰(zhàn)比以往更容易。