STLUX385A: 革命性的照明数字控制器

意法半导体 Jianwen Shao

LED灯是在上个世纪30年代中期高压钠灯问世后近80年来最具颠覆性的照明技术,LED灯引起广泛关注的原因不只是能效高、寿命长、节能环保,还因为LED灯比白炽灯或氙灯更好控制。

“数字”控制器已步入功率转换时代的主流,在很多情况下,LED驱动器采用微控制器控制供电时序以及跟踪、检测、保护和通信功能。但是,这并不是真正的数字控制器解决方案,而是数字式检测和电源管理。只有以数字方法实现控制回路,才能称为真正的数字控制器。图1所示是经典数字控制结构框图1。

图1: 经典数字控制器结构框图

图1: 经典数字控制器结构框图

这个经典数字控制方法让经典模拟过程实现数字化,确保转换器稳压精确,工作稳定,但是需要微控制器或数字信号处理器执行复杂的计算,以适应模拟转换器的动态性能变化。通常情况下,数学传递函数计算是在Z区完成,该区对数字控制器的处理能力要求很高。此外,数字控制器还需要新的设计经验,而模拟工程师掌握的模拟控制法则稳定性标准并不能直接用到数字控制器。因此,经典数字控制器的成本较高,而且积累数字控制器设计经经验是一个很长的过程。

意法半导体采用一个与经典方法完全不同的创新方法,引入一个状态机概念来解决数字控制问题,利用事件、电流、电压或时间驱动功率转换器开关,无需执行传递函数计算。事件驱动式状态机模块(SMED)就是这个概念的实现形式,每个状态机有4种状态,通过96MHz时钟驱动。在状态机的3个输入中,每个输入都可指定为1个条件,代表一种状态变化,如图 2所示。

图 2.SMED结构框图

图 2.SMED结构框图

下面示例是一个基于状态机(SMED)的过渡模式恒定导通时间升压PFC电路。

图3. 基于事件驱动式状态机(SMED)的升压功率因数校正器

图3. 基于事件驱动式状态机(SMED)的升压功率因数校正器

图4. 恒定导通时间升压功率校正器状态变化

图4. 恒定导通时间升压功率校正器状态变化

共计有4种状态:S0, S1, S2, S3。空闲是上电期间的一种变化状态,复位后,空闲状态过渡至导通时间最短的S0状态。在S0状态,栅信号是高电平,MOSFET导通,内部定时器将开始计时,在最短导通时间(Ton-min)到时后,S0状态过渡到导通时间正常的S1状态,如果操作正常,栅信号保持高电平直到Ton到时为止,若在Ton到时前出现任何过流情况,事件0(检测电流Is送来的过流)触发状态机过渡到关断时间最短的S2状态。在S2状态,栅信号为低电平,MOSFET关断。在最短关断时间到时后,状态机从S2过渡到关断时间正常的S3状态,在这个状态,过零信号(ZCD)或最大关断时间触发状态机从S3过渡到S0状态。这个状态变化过程周而复始,无需微控制器干预。

SMED状态机的设置非常灵活,适用于升压、降压、半桥、全桥转换器等所有拓扑,设计人员可以按照自己的控制算法随意定义状态。

SMED功率转换器控制概念彻底颠覆了功率转换器数字控制方法,基于SMED的控制器STLUX385A荣获了2014年消费电子展创新奖。

STLUX385A[2]集成6个SMED和1个低成本的8位微控制器,低成本微控制器可执行低速控制、检测和通信功能,下图所示是STLUX385A结构框图:

图5:STLUX385A结构框图

图5:STLUX385A结构框图

我们使用STLUX385A开发出一个100 W LED路灯参考设计[3],在这个参考设计内,STLUX385A芯片处理一个次侧控制式功率转换级,以及所有的通信连接。功率转换级包括PFC稳压器、零压开关(ZVS)和LC谐振级。控制高精度变光是使用一个一次侧调整(PSR)控制方法。

演示板提供所有的重要的物理通信接口,例如, DALI (数字寻址照明接口),所有的通信都是由STLUX385A管理。STLUX385A的灵活性还让演示板轻松连接其它接口,例如,Wi-Fi、电力线调制解调器、Bluetooth® 和ZigBee®。

STLUX385A是世界首个照明和功率转换通用数字控制器,为经济型高能效家用、办公和路灯照明系统铺平了道路。

参考文献:

[1] Ericsson Digital Power Compendium, www.digitalpowercompendium.com
[2] STLUX385A datasheet, www.st.com
[3] STEVAL-ILL066V1, 100 W LED street lighting evaluation board using STLUX385A, www.st.com