商用 LED 灯具的 0-10V 调光演变

作者：ALI FAWAZ高级应用工程师，英飞凌科技

为可调光 LED 灯具开发开关模式电源是一项重大的工程工作。实际照明元件规格或灯具功能的变化，例如不同的电流供应、调制水平或最小调光水平，可能会引发各种组件的级联变化，甚至是完全重新设计。因此，照明工程师正在努力减少组件数量并增加完整设计的灵活性也就不足为奇了。 

虽然我们在数字控制器等领域看到了大量创新，但物理调光控制和驱动器 IC 之间的接口仍然很复杂。通常，电位器或 0-10V 调光器是初始电压输入的来源。驱动器 IC 的接口用于产生控制器 IC 使用的数字 PWM 信号。这可以通过变压器或基于光耦合器的电路来实现，如图 1 所示。每个组件（从 10 到 30 个，具体取决于设计）都会增加夹具的评估、测试，当然还有组装成本。  

图 1：典型的 LED 调光接口电路设计

由于经常变化的设计参数，将这些分立功能集成到适用于 LED 电源的 IC 中具有挑战性。例如，用于控制多个灯具的调光系统需要与短灯串不同的偏置电流设置。传统上通过改变变压器设计来管理的占空比变化可以通过 IC 来管理。一个变压器可能会增加 30-50 美分的系统成本，并且需要大量的电路板空间，因此需要一种消除组件的解决方案。 

最近推出的 CoolDIM10V 调光接口是一种合适的 IC，可以满足各种要求，同时最大限度地减少设计复杂性和组件数量。该 IC 将来自 0-10 V 调光器或电位器的模拟电压信号转换为基于电流的 PWM 信号。调光信号通过外部光耦合器路由，以在信号传递到照明控制器 IC 时实现电流隔离，如图 2 所示。  

图 2：带光耦合器的调光接口 IC

用于调光控制的 I2C 接口的成功实施取决于改变设备参数以适应设计要求的能力。变量包括电阻电流、PWM 信号的频率和最小占空比。在某些设计中，可以指定真正的调光关闭功能，以最大限度地减少在最低调光水平下的潜光输出以及当电流增加时 LED “爆裂”的风险。过去，对这些参数的任何更改都需要对电路进行大量重新设计。IC 中的用户可配置设置允许使用标准 UART 接口修改这些关键参数。这提供了在多个夹具中使用基本设计或适应其他组件（例如光耦合器）的变化的灵活性，而无需重新设计工作。IC的默认设置只能使用编程板一次性配置以设置所需值。 

设计中最常见的变化之一是围绕选择合适的光耦合器来平衡夹具的性能、成本和可靠性。最具成本效益的解决方案是由一个 LED 和一个光敏 BJT 组成的四引脚器件，只有 BJT 的集电极和发射极连接到引脚。这种简单的 4 引脚器件具有相对较短的开关时间。为了满足更高的速度要求，可以使用 BJT 的基极也连接到一个引脚的六引脚器件。当应用需要非常高的可靠性和性能时，可以使用基于 CMOS 的隔离器。 

在许多光耦合器配置中，输出信号来自 BJT 的集电极，与原始输入相比，这会产生反相信号。需要一个额外的逆变器级来为控制器 IC 产生正确定向的信号。但是如图 2 所示，在 Vce 足够高的情况下，BJT 可以被视为电流控制源，没有信号反相。  

在为该应用选择合适的器件时，需要考虑光耦合器的两个参数。它们是电流传输比 (CTR) 和开关时间 (T r 和 T f )。后者是设备制造商提供的数据表值。虽然 T r在负载电阻 (R L ) 范围内相当恒定，但 T f 以线性速率增加。CTR 是 LED 的正向电流（通常指定为 5 mA）与光耦合器光电晶体管的集电极电流之间的比率。该比率可随 LED 电流和温度在 50% 至 600% 范围内变化，这意味着 BJT 的电流控制源输出范围为 2.5 mA 至 30 mA。 

CTR 和开关时间之间的关系导致了以下光耦合器选择指南。建议使用产生目标调光响应的最低 PWM 频率。所选设备的 CTR 范围应为 1:2。负载电阻应允许在所有可能的工作条件下以尽可能低的 CTR 获得所需的输出电压。使用至少比目标输出高 2 V 的电源电压 (Vcc)。但是，电源电压不应太高，以限制光耦合器级的功率损耗。最后，齐纳二极管可用于限制和稳定输出电压。图 2 中所示的光耦合器配置基于这些指南。

在 50 美分或更低的成本范围内，在 LED 电源中使用光耦合器而不是变压器可以降低材料成本和终端设备的组装成本。它还有助于将电路板空间减少多达 70%，为新夹具和控件的外形创新创造机会。简而言之，LED 灯具中调光接口的硅集成有助于为实现 LED 在照明领域的承诺的突破性设计创造机会。

审核编辑 黄昊宇