ST LED照明元器件和开发工具大全

作者：意法半导体 Luigi Galioto

摘要

随着普通LED照明市场持续增长，客户对新的智能功能、更高的能源效率和节省资金的要求也随着提高。本文围绕LED家用照明、商用照明和路灯，介绍意法半导体的宽产品线如何满足灯具市场的需求，从系统角度介绍意法半导体的产品线，讨论主要的系统架构及相关产品和评测工具。


前言

LED普通照明应用市场分析(IHS 2016年3月期的“世界LED照明电源市场”报告)预测，2015-2020年， LED家用照明市场复合年均增长率为25%，商用照明市场（商店和写字楼）29%，路灯16.9%。有两个主要因素拉动市场增长。第一个因素，很多大国开始重视能源问题，并发布了采用高能效光源(LED)淘汰白炽灯的节能法规；第二个因素，在新兴经济体国家，随着城镇化步伐加快，城镇人口急剧增长，这迫使当地政府推广高能效光源，升级改造城镇基础设施。在家用、商用和街道LED照明市场，意法半导体的宽产品线策略十分切合该市场报告的分析预测。

    

意法半导体产品

意法半导体LED产品组合很宽，包括专用产品和标准产品，覆盖整个LED普通照明应用。
意法半导体的产品、平台和评测板分为家用、商用、路灯用，支持最常用的系统架构/电路，还专门设立了 eDesignSuite部门，为包括LED照明在内的应用市场提供电源管理软件工具。


LED家用照明

LED家用照明市场对LED光源能效和驱动芯片的要求越来越高，高集成度，高能效，高功率因数(HPF)，长寿命，调光功能，系统成本低，元器件数量少，是家用照明应用市场的主要需求。

意法半导体高集成度离线转换器产品线很宽（每款产品都包含一个片上集成控制器和保护电路的功率MOSFET)，最高输出功率15W，击穿电压800 V，能够管理市场上主流驱动拓扑，例如， 降压、升/降压和反激式拓扑。在这些产品中，专用离线LED驱动转换器，例如，HVLED805、HVLED807PF、HVLED815PF，具有高功率因数和一次侧恒流/恒压稳压(PSR-CC/CV)功能，如图1所示，因为电路二次侧无需稳压芯片和光耦，所以系统成本较低。此外，VIPerPlus系列Viper*5、 VIPer*6、VIPer*7、VIPer*8、VIPer0P和VIPer01离线转换器也适合驱动LED。


图1 – 具有PSR-CV/CC功能的高功率因数反激式拓扑


反激式拓扑的钳位电路推荐使用STRVS*反复过压保护器件和STTH*超高速二极管(600V-1200V产品)；STPS*肖特基二极管和FERD*场效应整流管非常适用于输出整流。STRVS*保护芯片的低泄漏电流、输出二极管的低VF/IR比和STTH*的优异的VF/trr比，保证反激式拓扑具有出色的可靠性和能效。

通过推出高功率密度(高达61V/3A)的LED5000、LED6000 DC-DC LED驱动转换器(单片集成控制器+ MOSFET)，意法半导体支持用MR16  LED光源替代卤钨灯。
意法半导体提供多种LED家用照明系统评测板。一次侧评测板如图2所示。



图 2 – 主要家用照明系统评测板

LED商用照明

商用和建筑照明系统通常需要20W以上的功率，以及高功率因数，高能效，节省成本，有时需要多条灯带，有远程监控功能。

在只有一条灯带时，通常使用反激式拓扑。意法半导体的新产品HVLED003D (2016年第四季度上市)是一款离线反激式LED驱动控制器，一次侧恒流稳压(PSR-CC)模式，内置调光功能(0-10, PWM和可控硅)，可直接驱动单灯带，无需光耦和二次侧控制器。主要开关管推荐MDmesh™ K5功率MOSFET系列，我们发现 800-900-950Vbr产品(ST*N80K5、ST*N90K5和ST*N95K5 pn)特别适合这种拓扑。MDmesh™ K5系列适用于硬开关拓扑，具有低Rdson导通电阻、低Qg栅电荷和低电容的特点。

关于钳位网络，我们推荐使用前面家用照明部分讨论的钳位电路器件。STPS*肖特基二极管、FERD*场效应整流管和超高速二极管系列(大于等于200V的STTH*产品)最适合输出整流电路。

多灯带电源架构由主电源(通常是反激式拓扑)和多灯带管理电路组成，主电源提供恒定的DC总线电压。架构如图3所示。


图3 – LED多灯带电源架构

意法半导体的离线LED控制器HVLED001/A内置一次侧恒压稳压(PSR-CV)电路和调光功能(0-10, PWM)，适用于反激式拓扑。PSR-CV模式意味着电路不需要光耦和二次侧控制器。该反激式拓扑使用前文单灯带所用的功率MOSFET、输出二极管和钳位网络。多灯带管理分为模拟控制和数字控制两种方法:

高功率密度(最高61V/3A) 的DC-DC LED驱动降压转换器(单片集成控制器 + MOSFET) LED2000、LED2001、LED5000和LED6000(图4)适用于模拟管理方法。


图4 – 基于转换器的模拟式LED多灯带管理方法

还可以使用新的基于固定关断时间(FOT)算法的HVLED0002电流式LED控制方法实现反向降压拓扑（图5)；在这个拓扑内，60V - 100V低压STripFET F7功率MOSFET系列(推荐ST*N6F7和ST*N10F7)确保所有的解决方案都高效可靠。STripFET F7系列产品具有极低的Rdson导通电阻、优化的体二极管(低Qrr)、优化的本征电容和合理的Crss/Css比。

图5 – 基于控制器的模拟式LED多灯带管理方法

降压拓扑和反向降压拓扑建议使用单灯带拓扑所用的输出二极管。

针对基于反向降压拓扑(图6)和PM88*或TD35*栅驱动器的数字式灯带管理方法，意法半导体提供新的STLUX系列专用数字照明控制器以及STM32高性能微控制器。推荐使用STM32F334、STM32F301、STM32F0*和STM8S*。本例中的功率MOSFET与图5的功率MOSFET相同，输出二极管使用图4和图5的二极管。

图6 – 数字式LED多灯带管理

意法半导体开发了多款商用单多灯系统评测板，图7给出了其中部分评测板。

图 7 – 主要的LED商用照明系统评测板

路灯

能效高、寿命长、远程控制、尺寸紧凑、工作温度范围宽(-40 °C)，是对LED街道照明应用的主要要求。路灯输出功率通常在75W以上。

单灯带架构通常采用数字方法实现一次侧稳压恒流控制，由 PFC稳压器后接一个HB-LC谐振级构成(图8)。


图8 – PSR-CC模式LED单灯带数字驱动器

在这种情况下，LED驱动架构是一个两级结构，由PFC和HB-LC两个电路组成(图8)，两个电路共用一个数字管理芯片。关于数字管理芯片，意法半导体提供STLUX系列LED照明专用控制器以及多款 STM32高性能微控制器：我们推荐STM32F334、STM32F301和STM32F0*。PFC级电路可以采用PM88*或TD35*低边栅驱动器；LC级可以采用L638*、L639*或L649*高边驱动器。两级电路建议采用不同的功率MOSFET管:

-PFC(升压): 600-650Vbr  MDmesh™ M2系列(ST*N60M2和ST*N65M2)和600V  MDmesh™   M2-EP系列(ST*N60M2-EP)。两个系列的栅电荷Qg均极低，为轻载工况优化。M2-EP是高开关频率产品。

-HB-LC: 500-600Vbr MDmesh™ DM2系列(型号: ST*N50DM2和ST*N60DM2)和 600Vbr MDmesh™ M2系列(ST*N60M2)或600V   MDmesh™ M2-EP(ST*N60M2-EP)系列。DM2系列内置trr特性改进的本征二极管， dV/dt耐受性能出色。

关于输出整流，PFC级(TM和CCM模式)推荐采用STTH*06 600V超高速系列二极管，而STPSC*碳化硅二极管建议只用于PFC-CCM。HB-LC建议采用前面商用LED单灯带的输出二极管。

多灯带电源架构由主电源和多灯带管理电路组成，主电源提供一个恒定的总线电压。主电源级通常包括集成LLC谐振转换器的高功率因数校正(PFC)级，提供总线恒压。后接的LED灯带控制是由多个降压或反向降压转换器来实现。

图9 – 基于双片控制器的模拟式LED多灯带管理架构

PFC和HB-LLC级建议采用单灯带管理架构相关电路级所用的功率MOSFET开关管，而降压和反向降压转换器则采用60-100V低压STripFET F7功率MOSFET系列(产品型号ST*N6F7和ST*N10F7)。在HB-LLC、降压和反向降压电路内，输出二极管建议采用STPS*肖特基二极管、FERD*场效应整流器和超高速二极管系列(大于等于200V的STTH* 产品)。PFC级使用单灯带管理电路所用元器件。

关于两个电路级(电源级和LED控制级)，意法半导体提供模拟和数字两种驱动解决方案。

模拟驱动

对于Pout ≤ 250W的应用，意法半导体提供L6562A*、L6564*和L6563*系列临界模式(TM)PFC控制器(低端、中端和高端产品)，而高功率应用可以采用L4981* 和L4984D系列连续导通模式(CCM)PFC控制器。管理HB-LLC谐振电路可以采用专用控制器L6599A*和L6699(低端和高端芯片)。要想简化电路设计，还可以采用新的PFC控制器和HB-LLC驱动器二合一 的STCMB1双片控制器(图9)。

LED多灯带管理可以采用高功率密度的DC-DC LED驱动降压转换器LED5000和LED6000(图4)或者可以使用新的基于固定关断时间(FOT)算法的HVLED002电流模式LED控制器实现反向降压拓扑(图5)。

数字驱动

数字驱动方法需用两个数字芯片：一个是一次侧芯片(PFC级和HB-LLC级)，另一个是二次侧芯片(控制LED灯带所需的全部反向降压电路) (图10)

图10 – 数字解决方案

关于这两个芯片，意法半导体的解决方案是采用单灯带所用的芯片，二次侧反向降压控制器还是采用STM8*系列微控制器。

图11 – 主要的路灯LED系统评测板


PFC控制器和HB-LLC电路建议采用单灯带所用的栅驱动器，反向降压控制器采用商用数字LED多灯带管理所用的栅驱动器。

针对单灯带和多灯带LED路灯应用，意法半导体提供多种系统评测板。图11列出部分评测板。图7列出的STEVAL-ILL074V1/V2 (60W模拟LED驱动)和STEVAL-ILL077V1(60W数字多灯带 LED驱动)适用于路灯。

eDesignSuite软件工具

eDesignSuite是一套易用的功能全面的软件工具，帮助客户定义应用需求，利用意法半导体的各种产品，将应用需求转化成满意的解决方案。套件包括
1)智能仿真器和系统设计引擎(图12)：根据不同的应用设计（电源、太阳能、充电器、LED照明、信号调理、RF设计），为用户推荐产品和拓扑；

图12 – 智能仿真器和系统设计引擎视图

2)智能选型器：帮助用户选择最适合的产品类型(例如：二极管)；
3)配置器：节省为某一个具体应用设计设定参数所用的时间和工作量(例如，照明应用的STLUX SMED)。
该软件工具支持前文讨论的各种LED照明产品和拓扑。