带 PFC 及 DALI 通讯的单芯片 LED 解决方案 瑞萨电子 RL78I1A 系列单片机的应用 瑞萨电子 ( 中国 ) 有限公司通用产品中心应用技术部史子光 2013/07/30
方案组成 主变压器用于 PFC 控制及 LED 等高压部分供电 3 通道 LED 降压驱动电路 主控制 MCU: RL78/I1A 调试接口 变阻器 副变压器, 提供 MCU 及其他低压供电 通讯模式开关 DMX&DALI 3 通道开关用于 3 路 LED 调光及其他操作 2
LED 方案主要性能指标及主要使用器件 输入电压范围 :AC100-AC260V 输出电压 :90V 输出电流 :0.35mA*3 通道 =1A 输出功率 PFC 拓扑 DCDC 拓扑 :90V*0.35*3=90W : 反激式 (Flyback) :BUCK(100V->90V) 功率因素 :99% LED 输出效率 : 约 91.1%(AC220V 输入 90W) 主要使用器件 : MCU:R5F107AEG(RL78/I1A) MOSFET:N6008NZ(PFC 开关用 ),HAT2193WP(LED 驱动电路开关用 ) 3
RL78/I1A 概述 特性 16 位 CPU+MAC 提升性能 内部振荡器 (CPU MAX 32MHz) 16 位 PWM 定时器 2 输出 x 3 通道 实时计数器 Flash 容量 (bytes) 64K 32K 产品构成 4K 2K 2K 2K 4K RAM 容量 串行接口 (DALI, UART, I2C, CSI, DMX) 20 引脚 LSSOP 30 引脚 SSOP 32 引脚 VQFN 38 引脚 SSOP 工作温度至 125 照明及电源用增强型定时器 RL78/I1A 模拟功能 最高时钟 64MHz 通过 dithering 功能实现高精度 (1GHz) 定时器软启动功能防止启动过流 PWM 门控功能 支持交错式 PFC 控制功能 比较器实现定时器过流高阻输出 定时器同步 ( 最大 11 通道 ) 比较器 6 通道 - 窗口比较器功能 PGA( 可编程运放 ) 6 通道输入 - 固定放大模式 (4/8/16/32 倍 ) + - 4
方案框图 电源开关 保险丝 EMI 滤波器 PFC 线路 LED 电源指示灯 AC 零交叉检测电路 降压转换器 1 LED 状态指示灯 降压转换器 2 调光 / 调试接口 降压转换器 3 E1 调试 推 SW x 3 蜂鸣器 DALI/DMX 转换开关 5
PFC 控制概述 下图 (a) 是 AC 电源的理想电压 / 电流波形 电压和电流拥有相同的相位并为正弦波, 这时的功率系数 (PF) 为 1 (b) 是在没有 PFC 的情况下的实际电压 / 电流波形 电流感应时间很短并且电流峰值很高, 因此, 峰值电压因为功率原因倍削平 如果功率因素很低的情况下会发生下面的问题 因为有谐波的产生, 产品无法通过标准测试并且进行生产 因为尖峰电流很大, 需要更粗的导线 断电器容易保护 为了改进功率因素, 需要增加 PFC 控制 在传统的 LED 照明中一般使用 CRM( 临界导通模式 ) 模式的 PFC 控制因为所需要的元器件数量少并且开关损耗低 (c) 显示了在有 PFC 控制时的 AC 电源电压 / 电流波形 通过 PFC 开关的导通和关闭控制电流值, 并使平均电流的相位和输入电源电压一致 CRM 模式的 PFC 控制可以通过 RL78/I1A 的硬件模块实现 电源电流 电源电源电压 电源电压 电源电压 电源电流 电源电流 平均供电电流值 6
PFC 的电感电流控制模式 PFC 会根据电感电流使输入形成真正的正弦波电流, 两种不同模式的电感电流波形如下图所示 * CCM( Continuous Conduction Mode) --- 连续导通模式 --- 更适合于大功率应用 * CRM( CRitical Conduction Mode) --- 临界导通模式 --- 更适合于小功率应用 过滤 感应器 感应器 (L) 输入电压 桥式二极管电压 电感电流 CCM 电感电流 CRM 三角波将变为零 ( 临界 ) PFC MOS FET PWM 输入电流 7
使用 RL78/I1A 的硬件功能实现 PFC 控制 通过 RL78/I1A 的硬件实现 CRM 模式的 PFC 控制 RL78/I1A 可以通过使用内置比较器 / 外部中断以及 AD 转换器控制的定时器再启动功能实现临界导通模式的 PFC 控制 因此无需单独的模拟 IC 作为 PFC 控制 因为 MCU 同时作为 LED 及 PFC 控制, 因此可以预先判断负载强度并进行 PFC 补偿 下图显示了使用 RL78/I1A 实现的反激式 PFC 电路构成 进行 PFC 控制所需要的引脚时 PFC 输出 (TKBO21), 零电流检测输入 (INTP20), 以及 DC 输出检测输入 (ANI7) AC 电源输入检测 (ANI8) 在需要检测 AC 输入电源电压变化时需要用到 第一面 第二面 PFC 控制输出 重新启动触发 零电流检测 CPU 运行 A/D 转换器 电压检测输入 AC PFC 输出电出电压检测 PFC 输出 8
PFC 的控制波形 下图是实测的 PFC 控制波形, 其中包括 PFC 控制 MOS 管的 DS 电压 :Vds,PFC 输出端电压 Vout, 交流点过零检测信号 Vintp2, 以及 PFC 输出二极管端的正向导通电流 ID 可以看出在 MOS 管关闭的时候 (Vds 高 ),Vintp2 为低,ID 端有反激电流流过, 逐步将为 0 后 Vintp2 的电压也同时变为高, 在 Vintp2 的电压从低到高形成上升沿的时候, 通过硬件触发再次打开 MOS 管, 此时的操作都是通过硬件实现, 无需软件干涉 提高效率 第一面 第二面 PFC 控制输出 重新启动触发 零电流检测 CPU 运行 A/D 转换器 AC 电压感测输测输入 PFC 电压感测输出 9
LED 恒流控制 本方案采用降压电路将 PFC 输出的 100V 左右的电压降压到 90V 供给 LED 驱动 LED 时将 LED 电流通过 Rs 电阻变为电压并通过内部 PGA 放大后输入 AD 并且以目标亮度的 AD 值作为目标值进行 PI 运算, 最后输出所需的 PWM 占空比 LC 电路 预驱动器 LED CR 电路 N 位 PWM 输出 CPU PI 控制 A/D 转换目标值 控制 M 位 A/D 转换 转换输入 10
RL78/I1A 在 LED 控制中的特别功能 1.Dithering 功能 Dithering 功能可以将 64MHz 的定时器输出细分为 16 步, 可以实现 1GHz 的输出精度 定时器 KB 输出 不使用 dithering 使用 dithering LED 电压 A/D 输入 抖动 平稳 2. 软启动功能软启动功能可以通过硬件实现 KB 定时器输出占空比软启动, 可以防止在 LED 点亮瞬间的尖峰电流, 保护 LED 定时器 KC 门限输出 不使用软启动 使用软启动 LED 电流 尖峰电流 无尖峰电流 11
测试结果 本方案的测试结果如下所示, 在最大的输出功率 ( 最大输出电流 0.35A/ 通道 ) 的情况下实现了最大 PF 值为 99%, 效率为 91% Vin=110V LED1 (RED) LED2 (GREEN) LED3 (BLUE) 电压 (V) 63.5 91.3 93.2 电流 (A) 0.355 0.355 0.355 功率 (W) 22.19 31.41 32.16 总功率 (W) 88.04 Pin=100W PF=99% η=88.04/99=88.4% Vin=220V LED1 (RED) LED2 (GREEN) LED3 (BLUE) 电压 (V) 63.8 91.6 94 电流 (A) 0.353 0.355 0.355 功率 (W) 22.52 32.518 33.37 总功率 (W) 88.41 Pin=97W PF=98% η=88.41/97=91.1% 12
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