本文將重點介紹智能照明（尤其是智能燈泡）的電源解決方案。

政府部門安裝智能照明系統(tǒng)的舉措、無線控制的普及和人們負擔(dān)能力的增長，以及人們不斷認(rèn)識到智能照明系統(tǒng)的益處，這些也是推動全球智能照明解決方案需求不斷增長的關(guān)鍵因素。 根據(jù)Research and Markets在2017年的一項研究，全球智能照明市場總規(guī)模2017年為68億美元，到2022年，預(yù)計將以25.44％的復(fù)合年增長率增長到212億美元（2）。

參考一些商用智能燈泡的拆解報告（例如Cree Connected Bulb（3）或Philips Hue（4）），智能燈泡的主要結(jié)構(gòu)基本一樣（請參見圖1）。一個恒定電流（CC）LED驅(qū)動器（例如MPS MP4027）驅(qū)動恒定電壓（CV）降壓驅(qū)動器（例如MPS MP15x和MP17x）以及主LED；同時提供5V或3.3V電壓，為 Zigbee / Wifi /藍牙/其他收發(fā)器IC和主微處理器提供電源。微處理器以及收發(fā)器IC，允許終端用戶使用移動設(shè)備遠程控制照明。該控制模塊發(fā)送脈沖寬度調(diào)制（PWM）或其他數(shù)字信號（例如I 2C）來控制LED驅(qū)動器的調(diào)光。

圖1：目前主流的智能照明電源結(jié)構(gòu)

盡管這種拓撲看起來很理想，但其功率級面臨兩個挑戰(zhàn)：進一步縮小解決方案尺寸，以及進一步降低待機功耗。

A19和PAR燈泡尺寸符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不會再增大。在普通燈泡上添加智能照明功能就意味著設(shè)計人員必須將更多的電子器件擠入同一空間，這是一個很大的挑戰(zhàn)，而且空間限制可能會迫使設(shè)計人員使用更少的LED或更少的LED電源來簡化熱管理。有時，設(shè)計人員必須定制PCB的形狀來容納所有必需的電子器件，導(dǎo)致組裝成本增加。

此外，客戶和立法機構(gòu)也逐漸意識到待機功耗的重要性。 設(shè)計人員被期望設(shè)計出具有超低待機功耗的智能照明設(shè)備，從而使產(chǎn)品在嚴(yán)格的能耗標(biāo)準(zhǔn)之下具有一定吸引力或有銷路。例如，歐洲CoC Tier2要求額定功率在49W以下的所有外部電源待機損耗不超過75mW。預(yù)計在不久的將來，智能照明產(chǎn)品也將被期望滿足某些能源規(guī)范（5）。目前，由于使用了無線電路電源，許多智能燈泡具有很高的待機損耗，這是不可避免的，因此，待機損耗只能從功率級中節(jié)省下來。

為了進一步縮小智能照明電路的尺寸并降低待機損耗，圖2給出了更佳的集成總電源解決方案。在這個方案中，CV和CC電路可以合并為單芯片解決方案，從而縮小電路BOM和待機損耗 。

圖2: 智能燈泡從現(xiàn)有功率級向新的電源解決方案轉(zhuǎn)換

通過采用圖2所示的解決方案，電路設(shè)計人員可以省掉一個控制IC、一個外部電感器以及其他電阻器和電容器，從而將智能燈泡電源部分的PCB空間和BOM成本降低至少20％至30％（ 參見圖3）。

圖3: 現(xiàn)有功率級和新的電源解決方案BOM比較

此外，該解決方案可以實現(xiàn)低于20mW的系統(tǒng)待機功率，因為其電源部分高度集成，并且在空載或輕載情況下，可以通過優(yōu)化的最小工作頻率，在電源關(guān)閉時使更多的IC模塊處于休眠狀態(tài)。

圖4總結(jié)了MP4057A的工作模式。啟動期間，VDD由N_Forward繞組供電。然后IC通過監(jiān)視DIM引腳（由MCU本身控制）來確定它應(yīng)該以CV模式運行（僅在LED熄滅時為MCU供電）還是以CC模式運行（為MCU和LED同時供電）。

在CV模式下（DIM引腳為低電平），VCC為IC供電。可以調(diào)整N_flyback和Ns繞組的比率，以使LED在CV模式下不會點亮。 另外，通過一種智能調(diào)頻算法來確保低待機功耗和對LED負載變化的快速瞬態(tài)響應(yīng)，并確保MCU電源上不會產(chǎn)生壓降，以及在CV / CC轉(zhuǎn)換期間LED不會閃爍。

圖4: 控制方法參考

如果DIM感測到來自MCU的PWM信號以控制調(diào)光，則IC進入CC模式。通過讀取DIM來調(diào)制反饋電壓，并根據(jù)DIM占空比修改LED電流，同時保持CV輸出恒定。與CC模式一樣，MCU Vo引腳也必須足夠高，因此IC的最小LED調(diào)光深度限制為5％，以提供足夠的電壓來驅(qū)動MCU。 通過設(shè)置電流檢測電阻（Rs1和Rs2）的比率，Vo電源環(huán)路與主LED電流環(huán)路解耦。

至于LED電流控制，該解決方案實現(xiàn)了恒定導(dǎo)通時間（COT）控制模式，該模式保證了高功率因數(shù)。 開/關(guān)過渡發(fā)生在谷值切換期間（通過零電流檢測（ZCD）引腳進行檢測），以消除導(dǎo)通損耗和二極管反向恢復(fù)損耗，這也稱為過渡模式控制。 該IC還包括其他功能，例如最短關(guān)斷時間（以改善EMI）、前沿消隱、過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）、過熱保護（OTP）等。

圖5顯示了LED負載效率和功率因數(shù)性能，圖6顯示了線性度極佳的PWM調(diào)光性能。 圖7顯示了適用于所有PAR燈的8W參考設(shè)計電路板。另外，MP4057A為MCU提供3.3V電源，而MP4057B提供5V電源。

圖5: LED負載效率和典型功率因數(shù)

圖6: PWM調(diào)光率

圖7： EV4057A-K-00A評估板：

（長x寬x高）66mm x 25mm x 15mm

230Vac / 50Hz輸入，隔離式反激變換器，VLED = 21V，ILED = 0.37A，Vo = 3.3V，Io = 50mA

綜上所述，與現(xiàn)有解決方案相比，受IP保護的解決方案具有更高的系統(tǒng)密度和更低的成本。

1. http://www.researchandmarkets.com/research/8bnwls/smart_lighting

2. Lighting, LED and smart lighting market overview: https://energy.gov/sites/prod/files/2016/02/f29/smallwood_mktadoption_raleigh2016.pdf

3. Cree Connected LED Bulb Teardown: https://www.youtube.com/watch?v=q-hLMCeCnj0

4. Philips HUE (2016) LED Bulb Teardown: https://www.youtube.com/watch?v=4L1ZqvQ2qVU

5. New group pushes standards for IoT luminaires 2017/05: http://www.ledsmagazine.com/articles/2017/05/new-group-pushes-standards-for-iot-luminaires.html

編輯：hfy