设计物联网模块化灯

1.前言

LED 照明应用已经彻底改变了世界——不仅在普通照明领域，而且在任何使用照明的领域，如 LED 显示器、便携式照明系统、医疗仪器甚至科学设备。

在这个由两部分组成的系列中，我将总结我在挑战背后的经验和思考过程，重点介绍实施过程中的关键里程碑。最初是一个可用于多种事物的原型项目，最终演变为我在新生儿房间使用的多功能物联网灯。

2.具体方案

我的基本想法是创建一个基于物联网照明的项目，能够连接到互联网并接受颜色和亮度的值。该项目使用 TPS92512 作为设计的主角，并使用 TI SimpleLink™ Wi-Fi® CC3200 无线微控制器 (MCU) LaunchPad™ 开发套件实现基于 Wi-Fi 的互联网连接。命令通过 Internet 上的消息队列遥测传输 (MQTT) 协议进入，TPS92512 控制 LED 亮度。

TPS92512/HV 是 2.5A 降压（降压）电流调节器，具有集成 MOSFET 以驱动大电流 LED。这些 LED 驱动器具有 42 V 和 60 V (HV) 输入范围，可在用户选择的固定频率下工作，具有峰值电流模式控制，并提供出色的线路和负载调节。

TPS92512/HV LED 驱动器具有用于模拟和脉宽调制 (PWM) 调光的独立输入，可实现不折不扣的亮度控制，分别实现大于 10:1 和大于 100:1 的对比度。PWM 输入与低压逻辑标准兼容，可轻松连接各种微控制器。使用带有外部 0 V 至 1.8 V 信号的 IADJ 输入，模拟 LED 电流设定点可在 0 V 至 300 mV 范围内进行调节。

对于使用两个或更多 TPS92512/HV LED 驱动器的多串应用，内部振荡器可以被外部时钟过度驱动，以确保所有转换器以共同频率运行，从而降低拍频的可能性并简化系统 EMI 滤波。具有迟滞的可调输入欠压锁定 (UVLO) 可根据电源电压条件灵活设置启动/停止电压。

我的单通道 LED 灯原型可通过网站进行控制，该网站使用客户端 JavaScript® MQTT 库通过iot.eclipse.org MQTT 代理从 Web 浏览器向 TI CC3200 无线 MCU LaunchPad 套件发送命令。我使用 Energia 为 CC3200 设备编写了固件，它是 TI LaunchPad 套件的 Arduino 等效产品，而且效果更好。图 1 显示了初始框图。

图 1：建议的系统框图

3.驱动 LED 和 TPS92512

就像任何其他组件一样，正确驱动的 LED 将提高其使用寿命和效率。你们还可以通过改变设备的驱动来控制照明特性。LED本质上是一个二极管，正向偏置特性（尤其是Vf）因制造过程而异。

查看 Würth Elektronik 的基于氮化铟镓 (InGaN) 的陶瓷芯片 LED的数据表，你们可以看到 LED 的正向电流随着正向电压急剧增加，并且在拐点电压之外几乎是线性的。光通量也作为正向电流的函数而变化，直至达到极限值。因此，在驱动 LED 时控制通过 LED 的电流会更有利，使用电流控制方案可以获得更好的结果。

上述数据表中的图 2 以图形方式显示了这一趋势，其中我们将正向电流视为正向电压的函数，而光通量是正向电流的函数。

图 2：正向电流作为施加电压的函数及其对光通量输出的影响

安排恒流源的方法有很多种，包括经典的 LM317 电路，如图 3 所示。问题是可以驱动的最大电流。你们可以并行级联多个 LM317，但这不是很划算。

图 3：基于 LM317 的恒流源的电路图

或者，你们可以使用带电压基准的运算放大器/比较器，然后在输出级使用晶体管或 MOSFET 手动执行调节，如图 4 所示。这效果更好，也是我通常设计电源电路的方式。然而，这种方法的主要问题是使用的电路板空间量以及材料清单成本。你最终组装了一个大电路——当你需要处理几十安培范围内的大量电流时，这是可以的——但对于 LED 来说，这是多余的。

图 4：使用运算放大器的高端电流控制电路

因此，你们需要 MOSFET 来提高效率，但又不想制作自己的模块。该解决方案是专用驱动芯片，例如 TPS92512，它具有 MOSFET 作为开关以及热关断功能，以及用于控制的内部振荡器和脉宽调制器 (PWM) 逻辑。其他解决方案需要外部 MOSFET 开关以及一些杂项无源器件。TPS92512 使用更简单；图 5 显示了其功能框图。

图 5：TPS92512 的功能框图

TPS92512 能够驱动高达 2.5A 的电流；标准版本可以在高达 48V的 V IN下运行。具有脉冲宽度调制 (PWM) 信号的标准微控制器可以驱动 TPS92512 以改变输出电流，从而改变 LED 亮度。

在本系列的第 2 部分中，我将向展示我是如何构建原型的。