NFC無線靈活配置LED驅動電源

作者 : 江萬春、錢家法,英飛凌科技

本文提供一種高效、新穎的LED驅動電源配置途徑:基於近場通訊技術(NFC)的無線靈活配置方法。

LED照明燈具的規格各式各樣,帶來繁多的驅動電源規格,也為設計、生產、銷售與使用帶來了諸多的不便。為了減少這種不便,工程師們一直致力設計可以靈活配置輸出電流且更通用的驅動電源平台,使得同一電源能適配不同功率、不同亮度的LED燈具,從而減少驅動電源的種類、縮短開發週期、降低庫存以及縮短交貨時間。如有需要,終端使用者也可以重新配置驅動電源來適配其LED燈具。

最傳統的配置方法是採用不同電阻值來配置—指撥(DIP)開關方式產生多種組合,但這需要接觸操作。並且,此方法受制於電阻的阻值限制,一般只能設置幾個電流檔位,應用彈性少且功能單一。可以解決以上問題的NFC技術應運而生,且被創新地應用於LED電源,並逐步成為標準配置。


綠色工程:革新的契機


NFCLED電源應用

NFC是一種成熟的近距離無線通訊技術,多年來已經被廣泛地用於交通卡、銀行卡、身份證和智慧門鎖等等。

NFC應用包括發射端和接收端,並內建天線,接收端可以無需額外電源供電。工作時,發射端發射頻率為13.56MHz的訊號,較近的距離下接收端接收到此訊號,並轉換為電能為接收端供電,同時進行解碼獲得資訊、修改資訊以及進行反向傳輸,最終實現資訊交換。

1所示,如果將一個接收端IC設計在LED電源上,就可以使用手機或者一個發射裝置將需要配置的資訊非接觸地發送並寫入LED電源,LED電源根據這個資訊輸出不同的電流,甚至根據工作時長進行光衰補償。

圖1:典型NFC應用示意圖。

如果這個IC內部有足夠的空間,就可以用來儲存更多的資訊。透過讀寫裝置將需要資料(如品牌、序號等)寫進去或讀取出來,方便維護管理。

LED電源專用NFC控制晶片

基於以上的理念,英飛凌科技(Infineon Technologies)開發出專用於LED驅動電源的NFC控制晶片NLM0010和NLM0011,採用非常緊湊的5接腳SOT-23封裝,內建豐富的功能。既可以在出廠前設置,也可以在終端客戶安裝前根據不同的光源設置,極大地簡化了設計和使用。

2所示,NFC IC直接控制初級主控IC,在LED電源不接交流(AC)電源的情況下,透過讀寫裝置將需要配置的參數資訊發射出來,NFC控制晶片透過天線接收電能以維持自身工作,接收並且將其中的目標資訊儲存在內部記憶體中。NFC控制晶片的資訊也可以反向地傳送至讀寫裝置,以獲得配置的參數資訊。當LED驅動電源上電開機後,可為NFC控制晶片供電,內部根據已經儲存在暫存器的資訊運算轉換為PWM訊號,再輸出至LED驅動控制器控制輸出電流,從而改變LED的亮度。

圖2:NFC初級(原邊)控制示意圖。

3所示,NFC控制器晶片可以直接控制次級主控IC,ILD8150(E)是一顆DC/DC LED驅動控制器,NFC控制晶片的PWM輸出直接連接到ILD8150(E)的DIM接腳,實現更簡單的輸出電流控制。

圖3:NFC次級(側邊)控制示意圖。

NFC控制晶片提供豐富功能:

  • 電流設置精細、靈活,而傳統的DIP開關設置受制於電阻的阻值限制,一般只能設置幾個電流檔位。
    • 採用27MHz的內部時脈,即使採用10kHz的PWM頻率,解析度依然可以做到1/2700,也就是說可以設置2700個不同的輸出。
    • 內建8V輸出精密穩壓也有利於抑制,因為VCC電源波動帶來的額外誤差。
    • 因為採用靈活的數位控制,透過生產過程中的輸出電流校準使實際輸出電流更接近目標輸出電流,並且可以採用較大誤差的穩壓電路以降低成本,晶片內可以記錄驅動電源的開關次數及其工作時長,並透過NFC讀寫設備獲得此資訊,為產品維護和最佳化提供方便。
  • 其中NLM0011更內建CLO (恆定流明輸出),可以根據LED光源的光衰特性動態調整驅動電流,達到恆定流明輸出的目的,即光衰補償。

NLM0010/11的簡易應用設計:

這兩個IC的使用非常簡易,硬體電路主要涉及IC的輸出訊號設計、Vcc的設計和天線恆定設計。

  • 配接調光訊號的設計

當LED控制IC使用PWM作為調光訊號時:可直接將NFC控制晶片的輸出PWM訊號輸出至LED控制IC的調光接腳,如4所示。

圖4:輸出直接連接調光IC調光接腳。

當LED控制IC使用直流(DC)電壓作為調光訊號時,NFC控制晶片的輸出需要透過電阻和電容將PWM訊號轉換成DC電壓,作為調光訊號,如5所示。

圖5:輸出加RC濾波再連接至控制電路。

  • 需要記錄開關次數和工作時長的設計

對於需要用到工作時長記錄或開關次數記錄的應用,關機後IC仍然需要足夠的能量才能維持工作以確保資料的正確寫入。這種情況下,Vcc接腳需要外接一顆額外的22uF電容儲能。另外需要確保Vcc供電電壓範圍在3.3~5.0V,極限範圍3.0~5.5V,大多數情況下可以採用線性穩壓方案。如6所示,透過穩壓電路較為精確的穩壓,或採用7所示的更簡單、更低成本的電阻加穩壓二極體穩壓方案。

圖6:三端穩壓電路提供Vcc。

圖7:穩壓二極體電路提供Vcc。

 

  • 小面積天線的設計

這兩款晶片內部整合一顆典型值23.5pF的電容(如8所示),只需連接一定電感量(使得諧振頻率為13.56MHz左右)的天線即可;需要微調的話,也可外接電容。天線可以直接在繪製在PCB上,單面板或雙面都可以。20mm×20mm內的天線大小基本可以滿足需要。

圖8:IC內建23.5pF電容。

天線設計時可以借助所提供的Excel計算工具計算PCB天線電感,拿到PCB實物後有條件的可以用網路分析儀測試實際電感量,或者裝上元件做實際通訊測試,並根據測試結果調整外接電容的容值以實現最好的通訊品質。

另外,開發或使用時需要用到讀寫裝置,請使用推薦型號,如需要自主開發控制軟體,可以參考型號為NLM0010或NLM0011的應用註解。

評估或開發初期也可以直接使用英飛凌提供的可用於Android系統的APK,使用帶NFC功能的Android手機就可以進行測試。9所示的是配置介面,可以配置PWM頻率、最大工作週期等,顯示工作時長、開關次數等。10是在手機端可查看到的內部儲存的資料。

圖9:配置介面。

圖10:內部儲存資料。

 

應用實例

11所示,NFC控制晶片和天線被設計在同一小型PCB上,其長寬只有2.5cm和1.5cm。插在LED驅動電源主機板的次級電路上,佔位空間非常小,可實現無接觸的無線參數配置。這個設計需要透過R+C將NFC的PWM輸出電壓轉為DC電壓,然後利用運算放大器將其與電流採樣電阻上的電壓進行比較,透過反饋電路實現NFC設置的目標輸出電流。

圖11:應用實例。

結論

NFC晶片在LED電源的應用大幅增加了電流設置的靈活性,與電阻設置或編碼設置相比具有無可比擬的優越性,可以完全取代不方便的接觸式DIP設計,在LED電源中的應用必將越來越多。NLM0010和NLM0011以其小體積(SOT23-5)、簡單的電路、極具價值的開關次數統計和工作時長計數或光衰補償功能,可望擴展更多的客戶應用。

本文同步刊登於EDN Taiwan 202211月號雜誌

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