【应用方案】基于全数字控制采用意法半导体 STM32F071CB 的...

谷谷小师妹

【应用方案】基于全数字控制采用意法半导体 STM32F071CB 的可调光75W LED驱动器解决方案

十年来，高亮度LED的效能（流明/瓦）、耐用性、可靠度和成本效益迅速提升，彻底改变照明产业的格局。在不影响电路驱动性能和保护功能的前提之下，开发低功耗取得所需光照度的LED驱动器，是现今的照明灯具工程师所面临的挑战。

STEVAL-LLL004V1由 STM32F071CB 微控制器控制的三个不同功率级组成，PFC 级和两个 DC-DC 转换器设计为在转换模式 (TM) 下工作，以优化效率。基于降压拓扑的第一DC-DC转换器和基于反向降压拓扑的第二DC-DC转换器均工作在恒流模式。在反向降压拓扑中，电源开关接地，而不是标准降压拓扑中的高端开关。MCU 和包括 PM8841D、PM8834 和 L6395D 在内的栅极驱动部分由 VIPer013LS（60 kHz 高压离线转换器）供电，用于管理反激拓扑中的辅助 SMPS。

得益于 STD11N60M2-EP、N 沟道 600 V MDmesh™ M2 EP 功率 MOSFET，LED 驱动器系统在 100% 负载下的整体效率约为 91%。MCU 被配置为感应所有电源转换器的电感电流过零检测 (ZCD) 和其他相关信号，因此，MCU 控制 MOSFET 栅极驱动信号。该板配备了全面的安全功能，如短路、开路、输入欠压和输入过压。

32位元微控制器（MCU）透过数位技术控制PFC级和两个DC-DC降压转换器。PFC级和两个DC-DC转换器的数位控制技术，在成本效益和设置灵活度上有显著之优势。板载快速保护电路确保全部基本保护功能具有高可靠性。我们使用通用交流电源（85-265V）在整个亮度范围（0.5-100％）对LED驱动器进行了性能评测，实验结果显示，各项功率品质参数均在通用交流电源谐波标准IEC 61000-3-2的可接受范围内。解决方案采用功率转换数位控制方法，而非采用类比IC的标准设计方法。

数字控制的主要优势是可灵活设定。在任何既定条件下，实时调整参数和操作点，无需修改任何硬件，而类比控制仅在特定范围内调整。两种调光方式（类比或数位）、调光控制（0-10V，无线通讯）、调光分辨率、温度监测、各种保护和通讯功能等先进功能可以整合在一颗芯片上。此外，在噪声条件下，数位控制的稳定度高于类比控制：数位控制解决方案不易受到元件容差、温度变化和电压漂移的影响。

我们在STM32系列32位元STM32F071CB MCU上验证了LED驱动器的控制算法。MCU控制这三个临界导通模式功率级，在电感电流过零后立即启动MOSFET闸极。PFC级实现了比例积分（Proportional-Integral，PI）控制回路，改善了控制回路的稳定性、线路转换和调光步进特性，并在启动阶段降低了电流电压过冲。降压和反向降压转换器都是滞后功率转换器。可用电路板上的模式开关选择调光技术和控制功能。无论选择哪一种调光技术，亮度都可以降到最大亮度的0.5％。

数字调光是使用MCU的500Hz定时器外设实现的。按照调光值的大小，调整降压和反向降压转换器的占空比。

类比调光乃使用MCU内部比较器和数位类比转换器（Analog Converter，DAC）外设实现的。按照调光值的大小，借由DAC调整内部比较器正相端的电流阈值（电感峰流）。在临界模式下控制电感峰值电流，只能将LED的亮度降到某一定程度。为了处理好低亮度，需要强制两个DC-DC转换器进入非连续导通模式

实验结果显示透过类比和数字方法将 LED 调暗至最大亮度级别的 0.5%。使用任何一种调光技术，操作在高达 0.5% 的调光水平时均无闪烁，使 LED 驱动器成为独特的解决方案。表明ST 电源产品的性能以及使用 32 位 STM32F0 MCU 实施的控制策略，在宽输入电压和负载条件下具有高效率、接近单位的功率因数和低 THD%。

►场景应用图

►展示板照片

►方案方块图

►核心技术优势

 MCU控制提供了成本效益和设置灵活度

 LED无闪烁可保持到0.5％亮度

 可选择类比或数位控制

 符合IEC 61000-3-2,IEC55022 B 类 及WEEE 和 RoHS 合规

►方案规格

宽输入电压范围 85 – 265 VAC

• 过渡模式 PFC

• 基于不同拓扑的两个恒流输出工作在转换模式：

– 降压拓扑

– 反向降压拓扑

• 输出电流：500 mA ±2.5%

– 输出连接的 LED 数量：16 – 24 个白色 LED（每个 3.3 V）

• PFC > 0.97 和 THD < 20% 满负载，输入电压 85-265 VAC

• 最大负载时的峰值效率 ≅ 90%

• 全面的安全保护：

– 开路/空载电路保护

– 短路/过载电路保护

• 软启动实施

• LED 调光范围：0.5% 至 100%

– 模拟调光

– 数字调光

• 调光控制选项：

– 按钮

– 0-10 V 输入

• 符合 IEC55022 B 类

• WEEE 和 RoHS 合规