Eckdaten

Der STLUX385A von STMicroelectronics ist der weltweit erste universelle digitale Controller für Beleuchtungs- und Leistungswandlungs-Anwendungen und ebnet den Weg zu kosteneffektiven, energieeffizienten Beleuchtungssystemen für Wohn- und Geschäftsgebäude und Straßen.

Seit der Erfindung der Hochdruck-Natriumdampflampe Mitte der 1930er Jahre ist die LED die bahnbrechendste Technologie der Beleuchtungsindustrie. Attraktiv ist sie nicht nur wegen ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer langen Lebensdauer und ihrer Umweltfreundlichkeit, sondern auch, weil sie sich deutlich einfacher ansteuern lässt als Leuchtstoff- oder Hochdruck-Entladungslampen.

Digitale Controller sind im Bereich der Leistungsregelung sehr verbreitet. In vielen Fällen finden Mikrocontroller für das Sequencing und Tracking von Stromversorgungen sowie für Sensor- und Schutzfunktionen und das Power-Management Verwendung. Mit einem echten digitalen Controller hat man es jedoch erst dann zu tun, wenn die eigentliche Regelschleife digital implementiert ist. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines klassischen digitalen Reglerblocks.

Bild 1: Aufbau eines klassischen digitalen Controllers.

Bild 1: Aufbau eines klassischen digitalen Controllers.STMicroelectronics

Dieser klassische Ansatz, der den konventionellen analogen Prozess digitalisiert, sorgt zweifellos für gute Regeleigenschaften und einen stabilen Betrieb des Wandlers. Um die dynamische Performance eines analogen Controllers zu erreichen, ist jedoch ein leistungsstarker Mikrocontroller oder DSP nötig, der komplexe Berechnungen ausführen muss. Üblicherweise erfolgen sämtliche mathematischen Berechnungen der Übertragungsfunktionen im Z-Bereich, was hohe Anforderungen an die Verarbeitungsleistung des verwendeten digitalen Controllers stellt. Digitale Implementierungen setzen allerdings neues Fachwissen voraus. Hinzu kommt, dass sich die Stabilitätskriterien für die Regelungsgesetze analoger Implementierungen, die den Analog-Designern vertraut sind, nicht direkt auf digitale Regler übertragen lassen. Dies hat zur Folge, dass digitale Regelungen teurer sind und da sich die Entwicklungsingenieure das erforderliche Fachwissen erst aneignen müssen, führt es auch zu längeren Entwicklungszeiten.

Bild 2: Blockschaltbild der SMED-Implementierung.

Bild 2: Blockschaltbild der SMED-Implementierung.STMicroelectronics

Unkonventionelle Herangehensweise

STMicroelectronics geht an die digitale Regelung auf unkonventionelle Weise heran und wendet das Konzept der State Machine (Zustandsautomat) auf die Regelung des Leistungswandlers an. Strom-, Spannungs- oder Timer-Ereignisse steuern den im Wandler vorhandenen Schalter an. Es ist deshalb nicht mehr erforderlich, eine Übertragungsfunktion zu berechnen. Implementiert wird das Konzept in einem als SMED (State Machine Event Driven) bezeichneten Block. Jeder Zustandsautomat hat vier mögliche Zustände und wird von einem 96-MHz-Takt angesteuert. Außerdem kann jeder Zustandsautomat einen von drei Eingängen als Bedingung für Zustandswechsel nutzen. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild.

Bild 3: PFC-Aufwärtswandler auf Basis der SMED-Technik (State Machine Event Driven).

Bild 3: PFC-Aufwärtswandler auf Basis der SMED-Technik (State Machine Event Driven).STMicroelectronics

In Bild 3 ist das Schaltbild eines Transition Mode-Constant-On-Time-PFC-Aufwärtswandlers mit dem Zustandsautomaten (SMED) zu sehen. Es gibt insgesamt vier Zustände (S0, S1, S2 und S3). Der als Idle bezeichnete Zustand ist der unmittelbar nach dem Einschalten herrschende Übergangszustand. Im Anschluss an den Reset nach dem Einschalten wechselt der Zustandsautomat in den Zustand S0, in dem die minimale Einschaltzeit aktiv ist. In S0 hat das Gate-Signal High-Status, sodass der MOSFET eingeschaltet ist. Der interne Timer zählt die Einschaltzeit. Nachdem die minimale Einschaltzeit Ton-min verstrichen ist, erfolgt der Wechsel in den Zustand S1, mit normaler Einschaltzeit. Hier bleibt das Gate-Signal für die Dauer von Ton im High-Status, sofern normale Betriebsbedingungen herrschen. Kommt es vor dem Verstreichen von Ton jedoch zu einer Überstrom-Situation, kann das Ereignis 0 (Überstrom des Stromsensors Is) den Wechsel in S2, den Zustand mit minimaler Ausschaltzeit auslösen. Mit dem Übergang hat das Gate-Signal Low-Status, das bedeutet, der MOSFET ist ausgeschaltet. Ist die minimale Ausschaltzeit verstrichen, erfolgt der Wechsel in den normalen Ausschalt-Zustand S3. Dort kann entweder das Nulldurchgangs-Signal (ZCD) oder das Ende der maximalen Ausschaltzeit den Wechsel von S3 nach S0 veranlassen. Diese Zustandsabfolge setzt sich selbsttätig zyklisch fort, ohne, dass der Mikrocontroller eingreifen muss.

Selbsttätige zyklische Zustandsabfolge

Bild 4: Zustandsdiagramm des Constant-On-Time-PFC-Aufwärtswandlers.

Bild 4: Zustandsdiagramm des Constant-On-Time-PFC-Aufwärtswandlers.STMicroelectronics

SMEDs sind überaus flexibel: Entwickler können die Zustände wunschgemäß nach dem jeweiligen Regelungs-Algorithmus definieren. Außerdem eignen sie sich für beliebige Topologien, also beispielsweise für Aufwärts- und Abwärtswandler ebenso wie für Halb- und Vollbrückenwandler.

Das SMED-Konzept zur Steuerung von Leistungswandlern revolutioniert die digitale Leistungsregelung. Deshalb erhielt der SMED-basierte Baustein STLUX385A auf der CES 2014 einen Innovationspreis. In den Bausteinen sind sechs SMEDs und ein kostengünstiger 8-Bit-Mikrocontroller integriert. Letzterem ist es möglich, langsame Steuerungsfunktionen zu übernehmen und er lässt sich für Sensor- und Kommunikationsfunktionen nutzen. Bild 5 zeigt das Blockschaltbild des STLUX385A.

Bild 5: Blockschaltbild des Bausteins STLUX385A.

Bild 5: Blockschaltbild des Bausteins STLUX385A.STMicroelectronics

Auf der Basis dieses Bausteins entwickelte man bei STMicroelectronics ein Referenzdesign für eine LED-Straßenleuchte mit 100 W Leistung. Darin steuert der STLUX385A eine primärseitig geregelte Leistungswandler-Stufe sowie sämtliche unterstützten Kommunikations-Schnittstellen. Die Leistungswandler-Stufe besteht aus einem PFC-Regler, an den sich eine im Nulldurchgang schaltende (Zero Voltage Switching – ZVS) LC-Resonanzstufe anschließt. Realisiert ist die hochpräzise Dimmungs-Funktion mit einer primärseitig geregelten Technik (Primary-Side Regulation – PSR).

Primärseitig geregelte Technik

Sämtliche wichtigen physischen Kommunikations-Schnittstellen enthält das Demo-Board, wie etwa Dali (Digital Addressable Lighting Interface), die isolierte 0-10-V-Schnittstelle und einen UART. Der STLUX385A koordiniert die gesamte Kommunikation. Überdies ermöglicht die Flexibilität dieses Bausteins den einfachen Anschluss des Boards an weitere Interfaces wie zum Beispiel Wi-Fi, Powerline-Modems, Bluetooth und Zig-Bee.