Использование NFC-микросхем с ШИМ-выходом для прямого управления драйверами светодиодов

3 марта

автомобильная электроникасветотехникауправление питаниемInfineonстатьябеспроводные технологии

Ци Чжу (Infineon Technologies)

Концепция NFC-PWM от Infineon предполагает использование для управления драйверами светодиодов NFC-микросхем с ШИМ-выходом, таких как NLM0010 и NLM0011. С помощью этих ИС можно обойтись без дополнительного микроконтроллера при NFC-программировании драйвера и при автоматическом поддержании постоянного светового потока в процессе старения светодиода.

Производители светодиодных источников питания все чаще предлагают своим потребителям две новых функции: NFC-программирования и поддержания постоянного светового потока (Constant Lumen Output, CLO). Функция NFC-программирования позволяет отказаться от использования токозадающих резисторов и тем самым снизить трудозатраты на монтаж и настройку светодиодных осветительных приборов. Устройства с поддержкой функции CLO могут компенсировать вызванное старением снижение светового потока светодиодного модуля за счет подстройки тока светодиода в течение всего срока службы. Эта функция не только позволяет повысить качество освещения, но и помогает снизить уровень потребления за счет работы с оптимальным током.

Возникает вопрос: возможно ли создание светодиодных драйверов среднего и бюджетного ценовых диапазонов с функцией NFC-программирования? Рассмотрим новую концепцию NFC-PWM от Infineon, которая предполагает использование NFC-микросхем с ШИМ-выходом, обеспечивающих максимальную гибкость эксплуатации светодиодных осветительных приборов.

Перспективы использования NFC-технологии в освещении

В сегменте светодиодных осветительных приборов NFC-программирование является относительно новой функцией. Термин NFC (ближняя бесконтактная связь) относится к набору протоколов, которые обеспечивают беспроводную связь между близко расположенными устройствами. В освещении эта технология используется для беспроводной настройки рабочих характеристик светодиодных источников света. Параметры, передаваемые в ходе беспроводного обмена, определяются требованиями конкретного приложения. NFC-программирование быстрее и проще, чем традиционные способы подстройки яркости освещения. Поддержка NFC-программирования расширяет функционал светодиодных драйверов, делая их более гибкими.

В типовом случае беспроводной обмен данными производится между NFC-считывателем (NFC reader) и NFC-меткой (NFC tag), встроенной в драйвер светодиода. NFC-метка отвечает за хранение данных. NFC- считыватель подключается к управляющему ПК. ПК и специализированное программное обеспечение передают команды управления на NFC-метку через NFC-считыватель по беспроводному каналу. Передаваемые параметры предварительно конфигурируются в прикладном программном обеспечении с учетом характеристик конкретного осветительного прибора (рисунок 1).

Рис. 1. NFC-программирование драйверов: обзор системы

Рис. 1. NFC-программирование драйверов: обзор системы

Что делает NFC самой привлекательной беспроводной технологией для светодиодных драйверов? Ответ прост – его уникальные характеристики:

  • Ближняя бесконтактная связь подразумевает возможность обмена информацией и программирования только в том случае, если устройства правильно ориентированы в пространстве друг относительно друга. Эта особенность имеет большое значение в промышленном окружении и значительно упрощает процесс идентификации и аутентификации.
  • При использовании NFC-считывателя NFC-метка может работать без внешнего источника питания. В таких случаях для питания NFC-метки будет достаточно энергии радиочастотного поля, формируемого NFC-считывателем. В результате программирование NFC-метки в процессе производства можно выполнить без физического подключения к источнику питания и программатору. Это огромное преимущество, которое существенно повышает производительность производства.
  • Работа в нелицензируемом ISM-диапазоне (Industrial, Scientific, Medical) с центральной частотой 13,56 МГц и соблюдение стандартов позволяют использовать данную технологию повсеместно.
  • Малая скорость передачи данных (106…424 кбит/с) и низкая рабочая частота (13,56 МГц) уменьшают сложность аппаратной части беспроводного устройства. В большинстве случаев для реализации NFC-устройства будет достаточно простой и недорогой печатной антенны. По сравнению с другими технологиями беспроводной связи, такими как BLE, стоимость реализации NFC-канала невысока.

Помимо технических преимуществ у NFC есть и ряд других достоинств, позволяющих снизить стоимость осветительных систем. Например, производитель светодиодных драйверов может автоматически задавать уровень тока в процессе производства, чтобы сэкономить на рабочей силе, и даже выполнять настройку параметров перед отправкой продукции, что обеспечивает гибкость поставок и позволяет сэкономить на логистике.

Беспроводная настройка упрощает процесс калибровки осветительных приборов. Более того, конечный продукт дает больше свободы и обеспечивает большую гибкость при эксплуатации. Производители могут легко запрограммировать драйвер светодиода в соответствии с параметрами светодиодного модуля. Это в свою очередь облегчает смену светодиодных модулей. При NFC-программировании управление световым потоком осветительного прибора оказывается более точным в отличие от использования токозадающих резисторов, при котором изменение светового потока происходит ступенчато. Логистика продукции существенно упрощается, так как с помощью NFC-программирования можно сконфигурировать устройство в соответствии со стандартами страны импортера.

Не последним по значимости преимуществом NFC-программирования становится возможность настройки параметров на этапе монтажа системы освещения. Любую индивидуальную конфигурацию освещения, идеально соответствующую требованиям конкретного пользователя, можно легко задать на завершающем этапе монтажа (и даже после).

Рассмотрим, каким образом функция NFC реализуется в традиционных системах освещения.

Традиционная концепция: микроконтроллерные NFC-устройства

Традиционное NFC-устройство состоит из микроконтроллера и динамической NFC-метки (рисунок 2). Главным преимуществом такой архитектуры становится возможность реализации широкого функционала. Однако стоимость микроконтроллерных NFC-устройств оказывается достаточно высокой сразу по нескольким причинам:

  • перечень компонентов, используемых в таком NFC-устройстве, оказывается внушительным из-за использования микроконтроллера и сопутствующих пассивных компонентов;
  • необходимо использовать многослойную печатную плату (если в драйвере светодиода применяется однослойная или двухслойная печатная плата, то необходима отдельная дочерняя плата);
  • наличие микроконтроллера предполагает написание и прошивку встроенной программы. Это становится дополнительной проблемой, особенно для тех производителей, которым не хватает опыта и знаний в области написания встраиваемого программного обеспечения для микроконтроллеров.

Рис. 2. Традиционная структура микроконтроллерного NFC-устройства

Рис. 2. Традиционная структура микроконтроллерного NFC-устройства

Существует ли более компактное и эффективное решение с меньшим числом компонентов и более привлекательной стоимостью? Как раз для таких случаев компания Infineon предлагает свой вариант в виде NFC-драйверов с ШИМ-управлением.

Новая концепция: использование NFC-микросхем с ШИМ-выходом (NFC-PWM)

Решение, предлагаемое Infineon, подразумевает реализацию функций NFC-программирования и CLO с помощью интегральных NFC-микросхем с ШИМ-выходом (рисунок 3). Выходной ШИМ-сигнал используется для непосредственного управления аналоговым светодиодным драйвером. Таким образом, необходимость в микроконтроллере отпадает.

Рис. 3. Новая концепция NFC-PWM от Infineon: NFC-устройства с ШИМ-управлением

Рис. 3. Новая концепция NFC-PWM от Infineon: NFC-устройства с ШИМ-управлением

Устройства, построенные по предлагаемой схеме, состоят из четырех основных компонентов: антенны, NFC-микросхемы с ШИМ-выходом, RC-фильтра и микросхемы драйвера светодиодов.

Принцип работы прост: на выходе NFC-микросхемы генерируется ШИМ-сигнал. Настройка параметров этого сигнала осуществляется с помощью беспроводного NFC-канала. ШИМ-сигнал, проходя через RC-фильтр, преобразуется в сигнал постоянного напряжения, который подается на вход управления драйвера (рисунок 4). В результате, изменяя коэффициент заполнения ШИМ, можно регулировать управляющее напряжение и выходной ток драйвера.

Рис. 4. Схема NFC-устройства с ШИМ-управлением

Рис. 4. Схема NFC-устройства с ШИМ-управлением

Решение, предлагаемое компанией Infineon, строится на базе интегральных NFC-микросхем NLM0010 и NLM0011 с ШИМ-выходом, которые предназначены для светодиодных приложений. В дополнение к NFC-программированию, эти микросхемы имеют расширенный функционал, например, поддерживают CLO, выполняют подсчет времени работы и числа включений/выключений. При этом от разработчиков драйвера не потребуется каких-либо дополнительных усилий, связанных с написанием программы для микроконтроллера или доработки аппаратной части устройства.

ШИМ-сигнал определяется тремя рабочими параметрами: амплитудой, коэффициентом заполнения и частотой. Коэффициент заполнения характеризует отношение времени, в течение которого сигнал находится в состоянии с высоким напряжением, к периоду сигнала. Частота определяет скорость следования ШИМ-импульсов. Для преобразования ШИМ-сигнала в сигнал постоянного напряжения можно использовать пассивный RC-фильтр. Напряжение этого стабилизированного сигнала определяется коэффициентом заполнения исходного ШИМ. Таким образом, изменяя коэффициент заполнения ШИМ, можно регулировать напряжение выходного сигнала управления (формула 1):

$$V_{target}=DC\times \left(V_{oh}-V_{ol} \right)+V_{ol},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • DC – коэффициент заполнения ШИМ;
  • Voh – высокое напряжение на выходе ШИМ;
  • Vol – низкое напряжение на выходе ШИМ.

Стабильность ШИМ-сигнала напрямую определяет стабильность поддержания выходного тока светодиодного драйвера. По этой причине крайне важно оценить требования к допускам и возможности NFC-микросхем на ранней стадии проектирования. Критическими параметрами для NFC-микросхем являются коэффициент заполнения и абсолютный размах ШИМ-сигнала (Voh – Vol).

Микросхемы NFC-PWM генерируют ШИМ-сигнал с фиксированной амплитудой 2,8 В. Благодаря встроенному стабилизатору напряжения (LDO) уровень и стабильность напряжения внешнего источника питания не влияет на амплитуду ШИМ. Коэффициент заполнения ШИМ может быть настроен в диапазоне 0…100% с погрешностью менее 0,1%. Разрешение ШИМ зависит от выбранной частоты: 15 бит при 1 кГц или 10 бит при 30 кГц. Таким образом, благодаря новым микросхемам серии NFC-PWM производства Infineon можно обеспечить высокую точность поддержания выходного тока драйвера без каких-либо значительных усилий. Малой погрешности можно достичь на этапе производства за счет внедрения дополнительного этапа калибровки.

Реализация CLO-функции

CLO – это функция, которая позволяет осветительному прибору выполнять саморегулировку и тем самым бороться с естественным ухудшением эффективности светодиодов в процессе их старения. CLO-функция поддерживает постоянный световой поток за счет регулирования тока светодиодов.

Микросхема NLM0011 имеет встроенную 8-точечную CLO-таблицу, в которой хранятся корректирующие коэффициенты, учитывающие деградацию светодиодного модуля в процессе старения. Производители драйверов могут самостоятельно программировать эти коэффициенты в соответствии с параметрами конкретного светодиодного модуля. Как только CLO-таблица задана, микросхема автоматически регулирует коэффициент заполнения выходного ШИМ-сигнала, компенсируя снижение светоотдачи. Значение коэффициента заполнения является функцией реального рабочего времени OTC, которое рассчитывается путем линейной интерполяции между двумя смежными контрольными точками таблицы CLO. Микросхема постоянно рассчитывает время работы (функция OTC) и непрерывно интерполирует поправочный коэффициент, который затем умножается на номинальное значение коэффициента заполнения.

Благодаря совместимости с существующими аналоговыми драйверами светодиодов и спецификацией NFC-программирования Module-Driver Interface Special Interest Group (MD-SIG), новая концепция NFC-устройств с ШИМ-управлением идеально подходит для бюджетных приложений.

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
NLM0010XTSA1 (INFIN)
NLM0010 (INFIN)
NLM0011XTSA1 (INFIN)
NLM0011 (INFIN)