STLUX385A：革命性的照明數(shù)字控制器

LED燈是在上個世紀30年代中期高壓鈉燈問世后近80年來最具顛覆性的照明技術(shù)，LED燈引起廣泛關(guān)注的原因不只是能效高、壽命長、節(jié)能環(huán)保，還因為LED燈比白熾燈或氙燈更好控制。

“數(shù)字”控制器已步入功率轉(zhuǎn)換時代的主流，在很多情況下，LED驅(qū)動器采用微控制器控制供電時序以及跟蹤、檢測、保護和通信功能。但是，這并不是真正的數(shù)字控制器解決方案，而是數(shù)字式檢測和電源管理。只有以數(shù)字方法實現(xiàn)控制回路，才能稱為真正的數(shù)字控制器。圖1所示是經(jīng)典數(shù)字控制結(jié)構(gòu)框圖1。

圖1: 經(jīng)典數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)框圖

這個經(jīng)典數(shù)字控制方法讓經(jīng)典模擬過程實現(xiàn)數(shù)字化，確保轉(zhuǎn)換器穩(wěn)壓精確，工作穩(wěn)定，但是需要微控制器或數(shù)字信號處理器執(zhí)行復(fù)雜的計算，以適應(yīng)模擬轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能變化。通常情況下，數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)計算是在Z區(qū)完成，該區(qū)對數(shù)字控制器的處理能力要求很高。此外，數(shù)字控制器還需要新的設(shè)計經(jīng)驗，而模擬工程師掌握的模擬控制法則穩(wěn)定性標準并不能直接用到數(shù)字控制器。因此，經(jīng)典數(shù)字控制器的成本較高，而且積累數(shù)字控制器設(shè)計經(jīng)經(jīng)驗是一個很長的過程。

意法半導(dǎo)體采用一個與經(jīng)典方法完全不同的創(chuàng)新方法，引入一個狀態(tài)機概念來解決數(shù)字控制問題，利用事件、電流、電壓或時間驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)，無需執(zhí)行傳遞函數(shù)計算。事件驅(qū)動式狀態(tài)機模塊(SMED)就是這個概念的實現(xiàn)形式，每個狀態(tài)機有4種狀態(tài)，通過96MHz時鐘驅(qū)動。在狀態(tài)機的3個輸入中，每個輸入都可指定為1個條件，代表一種狀態(tài)變化，如圖 2所示。

圖 2. SMED結(jié)構(gòu)框圖

下面示例是一個基于狀態(tài)機(SMED)的過渡模式恒定導(dǎo)通時間升壓PFC電路。

圖3. 基于事件驅(qū)動式狀態(tài)機(SMED)的升壓功率因數(shù)校正器

圖4. 恒定導(dǎo)通時間升壓功率校正器狀態(tài)變化

共計有4種狀態(tài)：S0, S1, S2, S3?？臻e是上電期間的一種變化狀態(tài)，復(fù)位后，空閑狀態(tài)過渡至導(dǎo)通時間最短的S0狀態(tài)。在S0狀態(tài)，柵信號是高電平，MOSFET導(dǎo)通，內(nèi)部定時器將開始計時，在最短導(dǎo)通時間(Ton-min)到時后，S0狀態(tài)過渡到導(dǎo)通時間正常的S1狀態(tài)，如果操作正常，柵信號保持高電平直到Ton到時為止，若在Ton到時前出現(xiàn)任何過流情況，事件0(檢測電流Is送來的過流)觸發(fā)狀態(tài)機過渡到關(guān)斷時間最短的S2狀態(tài)。在S2狀態(tài)，柵信號為低電平，MOSFET關(guān)斷。在最短關(guān)斷時間到時后，狀態(tài)機從S2過渡到關(guān)斷時間正常的S3狀態(tài)，在這個狀態(tài)，過零信號(ZCD)或最大關(guān)斷時間觸發(fā)狀態(tài)機從S3過渡到S0狀態(tài)。這個狀態(tài)變化過程周而復(fù)始，無需微控制器干預(yù)。

SMED狀態(tài)機的設(shè)置非常靈活，適用于升壓、降壓、半橋、全橋轉(zhuǎn)換器等所有拓撲，設(shè)計人員可以按照自己的控制算法隨意定義狀態(tài)。

SMED功率轉(zhuǎn)換器控制概念徹底顛覆了功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字控制方法，基于SMED的控制器STLUX385A榮獲了2014年消費電子展創(chuàng)新獎。

STLUX385A[2]集成6個SMED和1個低成本的8位微控制器，低成本微控制器可執(zhí)行低速控制、檢測和通信功能，下圖所示是STLUX385A結(jié)構(gòu)框圖：

圖5：STLUX385A結(jié)構(gòu)框圖

我們使用STLUX385A開發(fā)出一個100 W LED路燈參考設(shè)計[3]，在這個參考設(shè)計內(nèi)，STLUX385A芯片處理一個次側(cè)控制式功率轉(zhuǎn)換級，以及所有的通信連接。功率轉(zhuǎn)換級包括PFC穩(wěn)壓器、零壓開關(guān)(ZVS)和LC諧振級?？刂聘呔茸児馐鞘褂靡粋€一次側(cè)調(diào)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 (數(shù)字尋址照明接口)，所有的通信都是由STLUX385A管理。STLUX385A的靈活性還讓演示板輕松連接其它接口，例如，Wi-Fi、電力線調(diào)制解調(diào)器、Bluetooth® 和ZigBee®。

STLUX385A是世界首個照明和功率轉(zhuǎn)換通用數(shù)字控制器，為經(jīng)濟型高能效家用、辦公和路燈照明系統(tǒng)鋪平了道路。

參考文獻:

[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