Les microcontrôleurs XMC basés sur une console de gestion de système d'Infineon vous permettent de créer des éclairages DEL de haute qualité qui sont variables en intensité lumineuse jusqu'à 0,1 % de leur luminosité maximale et qui offrent une variation exponentielle, un mélange des couleurs en douceur et pas de papillotement perceptible.
Bonjour, je suis Mike Copeland, un des Responsables des applications de microcontrôleurs industriels chez Infineon Technologies. Abordons le sujet des éclairages DEL de haute qualité et comment en produire avec les microcontrôleurs XMC d'Infineon.
Lorsque nous parlons d'éclairage de haute qualité, nous voulons en fait dire que la lumière doit pouvoir être variable en intensité lumineuse jusqu'à 0,1 % de sa luminosité maximale. Il doit pouvoir avoir une variation d'intensité exponentielle et un mélange des couleurs qui soient faits en douceur. Pendant que tout cela est fait, il ne doit y avoir aucun papillotement perceptible. Le papillotement ne doit pas être perceptible pour votre œil, votre cerveau ou pour une caméra.
Nous devons tout d'abord contrôler le courant passant dans la DEL et il y a plusieurs façons de faire cela en utilisant des contrôleurs de courant de DEL externes. Il existe des contrôleurs linéaires tels que nos BCR320U et BCR403. Ces derniers agissent de manière très similaire à des régulateurs de tension linéaires et vous pouvez contrôler la quantité de courant passant dans la DEL en faisant varier la valeur de ces résistances de détection de courant fixes ou de ces points de consigne. Il existe aussi des contrôleurs de courant de DEL à découpage comme nos ILD6150 , et avec ces derniers, le principe est un peu différent. C'est en fait très similaire à un régulateur de tension à découpage. Le courant ondule vers le haut et vers le bas et il est contrôlé par un inducteur externe, et vous pouvez contrôler le point de consigne via une entrée analogique ou une résistance de détection.
Les petits cercles avec un nuage dans la sinusoïde signifient que ce schéma est simulable sur notre site Internet : vous pouvez aller sur Infineon.com, y trouver ce schéma et voir une simulation analogique complète du circuit. Nous pouvons aussi effectuer un contrôle de courant à découpage avec le microcontrôleur XMC.
Voici un exemple, utilisant le XMC 1302, et employant le comparateur analogique interne et des timers. Les timers et les comparateurs travaillent ensemble pour effectuer un contrôle du courant de crête avec un temps d'arrêt fixe. Et nous pouvons ensuite régler ce temps d'arrêt pour s'adapter aux caractéristiques du circuit, à la tension d'entrée, à la taille de l'inducteur, et aux chutes de tension directes de DEL. Voici quelques détails sur la façon dont cela va marcher.
Vous pouvez voir, lorsque le courant dans la DEL atteint son maximum, que le comparateur se déclenche, le timer se réinitialise, et le MOSFET est éteint pour une période de temps fixe. Après cette période de temps, il se rallume, et le processus se répète. La fréquence est véritablement contrôlée de manière analogique, c'est très souple et facile à faire, et cela ne requiert absolument aucune charge CPU.
Pour faire varier en intensité lumineuse une DEL, nous pouvons en fait effectuer une variation analogique ou une variation par modulation. La variation analogique signifie simplement contrôler la valeur de consigne de nos contrôles de courant, de telle sorte que l'on peut régler la valeur de consigne via une entrée analogique sur le CI de commande, par exemple, puis l'élever ou la diminuer, de telle sorte que la luminosité de la DEL changera. Alternativement, on peut procéder à une variation par modulation. La variation par modulation signifie que nous allumons puis éteignons la DEL très rapidement. La quantité de lumière que nous percevons alors est équivalente à la moyenne temporelle des courants passant dans la DEL.
Donc quelle est la meilleure solution, la variation analogique ou la variation par modulation, si nous voulons obtenir un éclairage de haute qualité ?
La variation analogique a quelques problèmes quand il s'agit de descendre jusqu'à 0,1 % de luminosité maximale. Et ces problèmes sont dus à des tolérances dans les composants analogiques, et avec des alimentations à découpage, le niveau d'ondulation peut souvent devenir un problème également. Avec la variation par modulation, au contraire, nous pouvons facilement atteindre 0,1 %, du moment que ces fronts dans les cercles bleus sont assez raides pour que nous ayons un contrôle très précis de l'allumage et de l'éteignage de la DEL.
L'autre avantage de la variation par modulation est que la couleur de la DEL ne change pas, parce que lorsque la DEL est allumée, elle l'est toujours avec un courant fixe. Tandis qu'avec la variation analogique, à mesure que vous faites varier l'intensité lumineuse, le courant est réduit et la couleur de la DEL peut changer un petit peu.
Il y a en fait deux types de variation par modulation : il y a la modulation de largeur de pulsation et la modulation de densité de pulsation. La modulation de largeur de pulsation est une fréquence fixe avec un cycle de service variable pour contrôler le dispositif de limitation et surveillance du courant. La modulation de densité de pulsation est un petit peu différente. Il y a un timer fixe sur un bit pour la DEL et vous en faites varier le nombre dans une cadre donné, par exemple.
Donc, quelle est la meilleure solution pour contrôler le courant et des DEL de haute qualité ?
La modulation de largeur de pulsation, parce qu'elle fonctionne à une fréquence fixe, pourrait avoir des difficultés d'effet stroboscopique et de repliement. La modulation de densité de pulsation, en revanche, parce que la fréquence change tout le temps, est bien meilleure pour produire une lumière DEL de très haute qualité et pour faire de la variation d'intensité lumineuse de bonne qualité, même pour une caméra. Mais la variation d'intensité lumineuse, c'est bien plus que juste allumer et éteindre une DEL. Lorsque nous faisons varier l'intensité lumineuse d'une DEL sur une période de temps donnée, nous devons la faire varier selon une courbe exponentielle, parce que c'est la manière dont notre œil perçoit la luminosité de la DEL.
Faire de la variation exponentielle est quelque chose qui est un peu compliqué lorsqu'on arrive dans la zone bleue de cette courbe. À cet endroit, les petits changements dans l'intensité de la DEL deviennent très perceptibles pour l'œil humain. Donc nous devons procéder à ces changements très, très fins, et c'est encore mieux si nous pouvons faire de la simulation de couleur. En fait, nous faisons varier l'intensité lumineuse vers le bas en suivant cette courbe. Nous pouvons aller et revenir très, très rapidement d'une luminosité à une autre pour lisser cette transition, de sorte que votre œil ne la détecte pas.
En plus de la variation d'intensité lumineuse pour un éclairage de haute qualité, nous devons être capable de faire du mélange de couleur. Si vous pouvez contrôler le courant et faire varier l'intensité lumineuse d'une DEL, vous pouvez faire du mélange de couleurs en ajoutant simplement plus de DEL de différentes couleurs, puis contrôler leur luminosité individuellement pour produire la couleur que vous désirez voir. C'est un peu plus compliqué que cela cependant. Nous devons ajouter quelques fonctionnalités supplémentaires. Une fonctionnalité que nous devons avoir pour un éclairage de haute qualité est d'avoir un mélange de couleur en douceur, et nous appelons cela une « marche linéaire », où nous pouvons changer la luminosité d'un groupe de DEL à partir d'une autre luminosité, et dans cet exemple en bas, vous pouvez voir un graphique dans lequel la DEL verte doit peut-être être modifiée un petit peu. La DEL rouge doit beaucoup changer en ce qui concerne sa luminosité, et la bleue est probablement quelque part entre les deux. Mais nous voulons qu'elles changent toutes à des rythmes différents de telle sorte qu'elles arrivent toutes à la couleur désirée au même moment. C'est un changement de couleur en douceur qui est très agréable à l'œil. Et faire cela peut nécessiter beaucoup de charge CPU, parce que l'on doit effectuer les calculs des différents changements, etc. en temps réel dans le microcontrôleur. Ce serait bien si nous avions un moyen de faire cela dans le hardware.
L'autre chose que nous devons pouvoir faire pour un éclairage de haute qualité est d'être capable de faire varier l'intensité lumineuse sans changer la couleur. Dans de nombreux cas, vous avez une couleur particulière émise par notre DEL que vous aimez, et vous aimeriez être capable de faire varier l'intensité lumineuse de la DEL sans changer cette couleur. Cela veut dire que vous devez modifier tous les canaux qui produisent cette couleur, toutes les couleurs. Par exemple, voilà du rouge, du bleu, du vert et de l'ambre. Nous voulons faire varier ces quatre couleurs selon la même courbe exponentielle, mais elle sont toutes de différente luminosité ou de différente intensité, nous devons donc les faire varier ensemble, et nous faisons cela en produisant ce que l'on appelle un niveau de luminosité, qui est le produit du niveau de variation d'intensité lumineuse, issu de cette courbe de variation, par les intensités – et le groupe d'intensités est véritablement ce qui définit la couleur. Si nous faisons cette multiplication des temps de variation par l'intensité, nous obtenons la luminosité et nous pouvons la modifier selon cette courbe exponentielle sans changer la couleur.
La gamme Infineon XMC 1000 de microcontrôleurs est basée sur l'ARM Cortex M0, et ils sont conçus en vérité pour trois types d'applications. Contrôle moteur de l'éclairage DEL et alimentation à découpage. Il s'agit d'une superbe gamme basée sur notre noyau qui est un standard de l'industrie, auquel nous avons ajouté quelques fonctionnalités spéciales pour faire toutes ces choses dont nous avons parlé précédemment et qui sont nécessaires pour un éclairage de haute qualité. Le XMC 1000 peut effectuer un contrôle du courant de crête des DEL, comme nous l'avons déjà vu, en utilisant des timers et des comparateurs analogiques intégrés.
L'autre élément qu'il possède et qui est tout à fait unique sur le marché est l'unité de contrôle de la luminosité et de la couleur, qui gère toutes les autres fonctionnalités dont nous avons parlé. L'unité de contrôle de la luminosité et de la couleur effectue une modulation de densité de pulsation, elle fait de la « marche linéaire », de la variation d'intensité lumineuse exponentielle, et de la simulation de couleur selon la courbe de variation d'intensité lumineuse exponentielle, tout cela pour neuf canaux de DEL au maximum. Voici un exemple de lampe DEL rouge, bleue et verte contrôlées avec le BCCU, les unités de timers et les comparateurs analogiques. Vous pouvez voir les modules : ils sont tous faits pour travailler ensemble afin de permettre toutes les fonctionnalités dont nous avons parlé.
Donc, qu'est-ce qu'il reste à faire au CPU ? Le BCCU, les comparateurs analogiques et les timers s'occupent de toutes les fonctions des DEL sans aucune charge CPU. Par conséquent, on peut faire aussi d'autres choses dans le système. Nous pouvons faire de la communication, par exemple, DALI et DMX sont populaires dans le domaine de l'éclairage. Nous pouvons faire d'autres tâches spécifiques à des applications. Votre produit possède probablement quelque chose d'unique que vous voulez faire et que personne d'autre ne peut faire, et vous avez maintenant énormément de puissance CPU pour mettre en œuvre vos idées spécifiques à ces applications. Nous pouvons aussi faire les composants CA en CC et/ou CC en CC de votre système d'éclairage.
Il y a un tout autre domaine de l'éclairage ou de l'alimentation électrique de l'éclairage dont nous n'avons pas encore parlé, et le microcontrôleur a énormément de fonctionnalités pour rendre cela possible. En plus d'avoir les fonctionnalités de contrôle de courant et d'éclairage dont nous avons parlé, les microcontrôleurs XMC peuvent faire de la topologie avancée de conversion d'alimentation CA en CC et CC en CC, comme par exemple un « flyback » quasi résonant ou le mode de conduction critique PFC. Les microcontrôleurs XMC disposent d'un superbe ensemble d'outils de développement, ce qui permet de démarrer très facilement une conception d'éclairage. Nous avons notre système Dave. Nous avons la XMC Lib ou notre propre bibliothèque, pour des pilotes de bas niveau pour tous nos périphériques. Vous pouvez faire vos propres applis Dave en utilisant le SDK.
Nous avons aussi une multitude d'exemples sur Internet, portant sur l'éclairage et d'autres applications. Ce qui est bien quand on a l'ARM comme fournisseur pour le CPU dans le microcontrôleur est que nous avons une tonne d'outils d'assistance provenant de parties tierces. Du fait que l'ARM est un standard de l'industrie, il y a de nombreuses parties tierces sur le marché qui proposent des compilateurs, des débogueurs, des systèmes d'exploitation, etc.
Nous avons aussi des kits pour démontrer les fonctionnalités XMC permettant un éclairage de haute qualité. Vous verrez sur notre site Internet un blindage de contrôle de courant de crête à trois canaux pour Arduino qui propose bon nombre des fonctionnalités dont nous avons parlé. Vous verrez aussi un kit d'applications d'éclairage DEL qui utilise nos pilotes linéaires. Et dans quelques semaines, nous aurons un nouveau kit qui va sortir. Il s'agit d'un explorateur XMC de contrôle de courant de crête, qui produit une lumière de très haute qualité, et je peux même vous faire une petite démonstration de son fonctionnement.
Nous avons ici une démo qui utilise deux de nos kits explorateurs XMC de contrôle de courant de DEL. Celui-ci produit un niveau de lumière très bas via une lumière DEL de type palet standard. Pour mon œil, cela a l'air très doux et sans irrégularités, je ne détecte aucun papillotement. Mais si je prends ma caméra et que je l'observe de près avec ma caméra, vous pouvez voir des lignes horizontales de papillotement. Je vais maintenant brancher un second kit, qui a été réglé pour produire une très haute fréquence de contrôle de courant émis, ce qui est possible uniquement grâce à nos timers et comparateurs analogiques rapides. Et vous pouvez voir une bien meilleure image. Sans aucun papillotement. Si vous souhaitez en savoir plus sur les solutions d'éclairage DEL d'Infineon, rendez-vous sur notre site Internet, Infineon.com.
Merci beaucoup.
