STLUX385A - cyfrowy sterownik do systemów oświetlenia ledowego

Rys. 1. Struktura wewnętrzna kontrolera STLUX385A

Konstrukcja układu bazuje na sześciu generatorach PWM typu SMED (State Machines Event Driven) zapewniających krótki czas reakcji rzędu 10 ns - znacznie szybszych w porównaniu z rozwiązaniami bazującymi na układach peryferyjnych mikrokontrolerów a zwłaszcza tymi, które wykorzystują przerwania do generowania sygnałów PWM.

Poza tym są cztery komparatory analogowe z wewnętrznymi napięciami referencyjnymi, przetwornik ADC z 8-kanałowym multiplekserem, 32 KB pamięci Flash, mikrokontroler ST8 z zaimplementowaną natywną wersją protokołu DALI zgodną z IEC 60929 and IEC 62386 oraz szeregowe interfejsy komunikacyjne, za pomocą których można programować parametry kontrolera i monitorować jego parametry (rys. 1).

SMED i peryferie

Rys. 2. Programowalna matryca połączeń układów wewnętrznych

Od strony sprzętowej wyróżnikiem kontrolera STLUX385A są generatory PWM typu SMED taktowane sześcioma niezależnymi i działającymi autonomicznie programowalnymi układami zegarowymi z rozdzielczością dochodzącą do 1,3 ns. Pozwalają one na realizację układu sterowania bazującego na sygnałach zewnętrznych i wewnętrznych kontrolera, bez nadzoru oprogramowania, z czasem reakcji na zdarzenia sięgającym 10 ns, co wynika z taktowania zegarem o częstotliwości 96 MHz i układu automatycznego ditheringu.

Jest to znacznie lepszy wynik w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami sprzętowymi i daleko lepszy od rozwiązań programowych. Konfigurowanie każdego z 6 dostępnych generatorów SMED następuje z poziomu wbudowanego w strukturę kontrolera mikrokontrolera za pomocą 15 rejestrów sterujących. SMED (analogicznie jak inne automaty cyfrowe) może znajdować się w jednym z czterech stanów stabilnych S0-S3 i w trybie hold.

Przejścia pomiędzy stanami programuje się, definiując zdarzenia, które wywołują przełączenia i tym samym zmianę sygnału wyjściowego PWM (synchroniczne lub asynchroniczne). Zmiana stanu może następować na skutek informacji zewnętrznych napływających z końcówek I/O lub układów wewnętrznych, jak na przykład timery.

Co więcej, podczas zmiany stanu układ SMED może generować przerwanie w mikrokontrolerze nadzorującym pracę systemu. Po skonfigurowaniu przejść i taktowania SMED działają autonomicznie, ale jednocześnie mogą być łączone w grupy. Taki sposób działania pozwala na generowanie za pomocą układów PWM sygnałów wyjściowych o znacznie większej dokładności i częstotliwości wyjściowej.

Fot. 3. Przykładowy projekt aplikacji oświetleniowej o mocy 200 W

Sześć dostępnych układów SMED może pracować niezależnie od siebie (single), pojedynczo razem synchronicznie lub asynchronicznie a także dwójkami w podobnych układach, przez co impulsy wyjściowe mogą być łączone w jeden strumień albo przeplatane między sobą (rys. 2).

Powiązanie jednostek SMED z sygnałami wejściowymi realizowane jest programowo za pomocą matrycy połączeń. Pozwala ona na sterowanie stanem SMED za pomocą zewnętrznych linii cyfrowych, wyjść komparatorów wewnętrznych, wyjściowych sygnałów z innych PWM oraz zdarzeń programowych.

Inne układy zawarte w kontrolerze STLUX385A to m.in. 4 komparatory analogowe o czasie propagacji sygnału maks. 50 ns, przeznaczone do wykrywania przejścia sygnału przez zero lub wykrywania stanów alarmowych prądów lub napięć. Jest też 10-bitowy przetwornik A/C z 8-kanałowym multiplekserem (faktycznie to sekwencerem pozwalającym na odczyt kolejno 8 próbek z różnych miejsc) i wzmacniaczem o programowalnym wzmocnieniu ułatwiającym aplikowanie sterownika w większości potencjalnych systemów i dają możliwość podbicia rozdzielczości konwersji do 12 bitów.

Interfejs DALI

DALI, czyli szeregowy cyfrowy protokół komunikacyjny dla układów oświetleniowych, to standard zdefiniowany w normie IEC 929 i przeznaczony do tworzenia inteligentnych instalacji oświetleniowych, głównie balastów lamp wyładowczych i lamp LED. Implementacja DALI w kontrolerze STLUX wyróżnia się wbudowanym filtrem szumów poprawiających działanie interfejsu w środowiskach o dużym poziomie zakłóceń lub przy dużej odległości, obsługą trzech szybkości transmisji z taktowaniem 1,2, 2,4 i 4,8 kHz oraz komunikatów 16-, 17-, 18-, i 24-bitowych. Interfejs komunikacyjny zapewnia dwukierunkową komunikację przy dowolnej polaryzacji sygnałów, co poprawia interoperacyjność z innymi urządzeniami.

Mikrokontroler na pokładzie

Fot. 4. Balast do lampy LED o mocy 100 W

Wbudowany w układ kontrolera mikrokontroler ST8 ma wbudowaną pamięć Flash o pojemności 32 KB z gwarancją podtrzymania danych na 15 lat w temperaturze +85°C, pamięć EEPROM z funkcją RWW i korekcją błędów ECC oraz 2 KB RAM. Standardowe układy peryferyjne uzupełnia m.in. watchdog, tryby ograniczonego poboru mocy, generator zegarowy bazujący na oscylatorze RC i pętli PLL oraz interfejsy UART, I²C i wiele linii IO.

Zakres temperatur pracy kontrolera wynosi od -40 do +105°C, co umożliwia aplikacje poza budynkami jak lampy uliczne. Układ produkowany jest w obudowie TSSOP38 i warto dodać, że każdy egzemplarz zawiera unikalny 56-bitowy numer seryjny pozwalający na zwiększenie bezpieczeństwa komunikacji i prewencji przed nieautoryzowanym dostępem do komunikacji.

Aplikacje i zestawy ewaluacyjne

Fot. 5. Płytka ewaluacyjna kontrolera

Uniwersalny układ sprzętowy kontrolera pozwala na wykorzystanie go jako głównego sterownika w aplikacjach oświetleniowych (zasilacze do LED i balasty do lamp HID) i systemach zasilających w topologiach buck i boost, w układach mostkowych falowników, a nawet przetwornicach rezonansowych. Narzędzia projektowe dla STLUX385A takie jak kompilator C i środowisko IDE dostarcza firma Raisonance.

Dostępny jest też programator/debugger RLink (USB/JTAG). Przykładowy projekt aplikacji oświetleniowej bazującej na STEVAL-ILL057V1 o mocy wyjściowej 200 W i 4 kanałach oświetleniowych z regulacją jasności na LED-ach pokazano na fotografii 3. Jest to kompletny zasilacz o konfigurowalnych parametrach w 4 niezależnych kanałach zasilających wykorzystujących modulację PWM.

Każdy kanał zasilający zawiera konwerter w topologii obniżającej napięcie (Buck), który dostarcza prądu o regulowanym cyfrowo natężeniu, bazując na modulacji FOT (fixed off-time) ze stałym czasem wyłączenia przełącznika mocy. Wydajność każdego kanału zasilającego można regulować w zakresie 1 A - 250 mA przez DALI lub trzy przyciski umieszczone na płytce. Wyjścia są w pełni zabezpieczone przed przeciążeniem lub rozwarciem. W ofercie STMicroelectronics są też inne płytki demonstracyjne jak STEVAL-ILL066V1 o mocy wyjściowej 100 W pokazany na fotografii 4 lub płytka ewaluacyjna samego kontrolera - fotografia 5.

Robert Magdziak