設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)模塊化燈

1.前言

LED 照明應(yīng)用已經(jīng)徹底改變了世界——不僅在普通照明領(lǐng)域，而且在任何使用照明的領(lǐng)域，如 LED 顯示器、便攜式照明系統(tǒng)、醫(yī)療儀器甚至科學(xué)設(shè)備。

在這個(gè)由兩部分組成的系列中，我將總結(jié)我在挑戰(zhàn)背后的經(jīng)驗(yàn)和思考過(guò)程，重點(diǎn)介紹實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵里程碑。最初是一個(gè)可用于多種事物的原型項(xiàng)目，最終演變?yōu)槲以谛律鷥悍块g使用的多功能物聯(lián)網(wǎng)燈。

2.具體方案

我的基本想法是創(chuàng)建一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)照明的項(xiàng)目，能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)并接受顏色和亮度的值。該項(xiàng)目使用 TPS92512 作為設(shè)計(jì)的主角，并使用 TI SimpleLink? Wi-Fi® CC3200 無(wú)線(xiàn)微控制器 (MCU) LaunchPad? 開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)基于 Wi-Fi 的互聯(lián)網(wǎng)連接。命令通過(guò) Internet 上的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸 (MQTT) 協(xié)議進(jìn)入，TPS92512 控制 LED 亮度。

TPS92512/HV 是 2.5A 降壓（降壓）電流調(diào)節(jié)器，具有集成 MOSFET 以驅(qū)動(dòng)大電流 LED。這些 LED 驅(qū)動(dòng)器具有 42 V 和 60 V (HV) 輸入范圍，可在用戶(hù)選擇的固定頻率下工作，具有峰值電流模式控制，并提供出色的線(xiàn)路和負(fù)載調(diào)節(jié)。

TPS92512/HV LED 驅(qū)動(dòng)器具有用于模擬和脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光的獨(dú)立輸入，可實(shí)現(xiàn)不折不扣的亮度控制，分別實(shí)現(xiàn)大于 10:1 和大于 100:1 的對(duì)比度。PWM 輸入與低壓邏輯標(biāo)準(zhǔn)兼容，可輕松連接各種微控制器。使用帶有外部 0 V 至 1.8 V 信號(hào)的 IADJ 輸入，模擬 LED 電流設(shè)定點(diǎn)可在 0 V 至 300 mV 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對(duì)于使用兩個(gè)或更多 TPS92512/HV LED 驅(qū)動(dòng)器的多串應(yīng)用，內(nèi)部振蕩器可以被外部時(shí)鐘過(guò)度驅(qū)動(dòng)，以確保所有轉(zhuǎn)換器以共同頻率運(yùn)行，從而降低拍頻的可能性并簡(jiǎn)化系統(tǒng) EMI 濾波。具有遲滯的可調(diào)輸入欠壓鎖定 (UVLO) 可根據(jù)電源電壓條件靈活設(shè)置啟動(dòng)/停止電壓。

我的單通道 LED 燈原型可通過(guò)網(wǎng)站進(jìn)行控制，該網(wǎng)站使用客戶(hù)端 JavaScript® MQTT 庫(kù)通過(guò)iot.eclipse.org MQTT 代理從 Web 瀏覽器向 TI CC3200 無(wú)線(xiàn) MCU LaunchPad 套件發(fā)送命令。我使用 Energia 為 CC3200 設(shè)備編寫(xiě)了固件，它是 TI LaunchPad 套件的 Arduino 等效產(chǎn)品，而且效果更好。圖 1 顯示了初始框圖。

圖 1：建議的系統(tǒng)框圖

3.驅(qū)動(dòng) LED 和 TPS92512

就像任何其他組件一樣，正確驅(qū)動(dòng)的 LED 將提高其使用壽命和效率。你們還可以通過(guò)改變?cè)O(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制照明特性。LED本質(zhì)上是一個(gè)二極管，正向偏置特性（尤其是Vf）因制造過(guò)程而異。

查看 Würth Elektronik 的基于氮化銦鎵 (InGaN) 的陶瓷芯片 LED的數(shù)據(jù)表，你們可以看到 LED 的正向電流隨著正向電壓急劇增加，并且在拐點(diǎn)電壓之外幾乎是線(xiàn)性的。光通量也作為正向電流的函數(shù)而變化，直至達(dá)到極限值。因此，在驅(qū)動(dòng) LED 時(shí)控制通過(guò) LED 的電流會(huì)更有利，使用電流控制方案可以獲得更好的結(jié)果。

上述數(shù)據(jù)表中的圖 2 以圖形方式顯示了這一趨勢(shì)，其中我們將正向電流視為正向電壓的函數(shù)，而光通量是正向電流的函數(shù)。

圖 2：正向電流作為施加電壓的函數(shù)及其對(duì)光通量輸出的影響

安排恒流源的方法有很多種，包括經(jīng)典的 LM317 電路，如圖 3 所示。問(wèn)題是可以驅(qū)動(dòng)的最大電流。你們可以并行級(jí)聯(lián)多個(gè) LM317，但這不是很劃算。

圖 3：基于 LM317 的恒流源的電路圖

或者，你們可以使用帶電壓基準(zhǔn)的運(yùn)算放大器/比較器，然后在輸出級(jí)使用晶體管或 MOSFET 手動(dòng)執(zhí)行調(diào)節(jié)，如圖 4 所示。這效果更好，也是我通常設(shè)計(jì)電源電路的方式。然而，這種方法的主要問(wèn)題是使用的電路板空間量以及材料清單成本。你最終組裝了一個(gè)大電路——當(dāng)你需要處理幾十安培范圍內(nèi)的大量電流時(shí)，這是可以的——但對(duì)于 LED 來(lái)說(shuō)，這是多余的。

圖 4：使用運(yùn)算放大器的高端電流控制電路

因此，你們需要 MOSFET 來(lái)提高效率，但又不想制作自己的模塊。該解決方案是專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，例如 TPS92512，它具有 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)以及熱關(guān)斷功能，以及用于控制的內(nèi)部振蕩器和脈寬調(diào)制器 (PWM) 邏輯。其他解決方案需要外部 MOSFET 開(kāi)關(guān)以及一些雜項(xiàng)無(wú)源器件。TPS92512 使用更簡(jiǎn)單；圖 5 顯示了其功能框圖。

圖 5：TPS92512 的功能框圖

TPS92512 能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 2.5A 的電流；標(biāo)準(zhǔn)版本可以在高達(dá) 48V的 V IN下運(yùn)行。具有脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)微控制器可以驅(qū)動(dòng) TPS92512 以改變輸出電流，從而改變 LED 亮度。

在本系列的第 2 部分中，我將向展示我是如何構(gòu)建原型的。