InfineonのSMCベースのXMCマイクロコントローラ を使用すると、0.1% まで調光可能で、指数関数的な調光、スムーズな色混合、ちらつきのない高品質のLED照明を作成できます。
こんにちは。Infineon Technologiesの産業用マイクロコントローラ アプリケーション マネージャー、Mike Copelandです。高品質のLED照明と、InfineonのXMCベースのマイクロコントローラを使用してそれを実現する方法について説明します。
高品質の照明とは、照明を最大輝度の0.1% まで調光できることを意味します。スムーズな指数関数的調光とスムーズな色混合が必要です。これらすべてを実行している間、知覚できるちらつきは発生しません。ちらつきは、目、脳、またはカメラで認識できるものではありません。
まず、LEDを流れる電流を制御する必要がありますが、外部LED電流コントローラーを使用してこれを実行する方法はいくつかあります。弊社のBCR320UやBCR403などのリニアコントローラがあります。これらはリニア電圧レギュレータと非常によく似た動作をし、設定された電流検出抵抗器または設定ポイントの値を変えることでLEDを流れる電流の量を制御できます。また、当社のILD6150 のようなスイッチ モードLED電流コントローラーもありますが、これらの場合、原理は少し異なります。これはスイッチモード電圧レギュレータに非常によく似ています。電流は上下にリップルし、外部インダクタによって制御され、アナログ入力またはセンス抵抗器を介して設定ポイントを制御できます。
正弦波の中に雲の付いた小さな円は、この実際の回路図が当社のWebサイトでシミュレーション可能であることを意味します。Infineon.comにアクセスしてこの回路図を見つけ、回路の完全なアナログ シミュレーションを表示できます。ここで、XMCマイクロコントローラを使用してスイッチ モード電流制御を行うこともできます。
ここでは、XMC 1302を使用し、内部アナログ コンパレータとタイマーを使用する例を示します。タイマーとコンパレータは連携して、固定オフタイミングでピーク電流制御を行います。そして、回路の特性、入力電圧、インダクタのサイズ、LED順方向電圧降下に合わせてオフタイミングを調整できます。これがどのように機能するかについての詳細は次のとおりです。
LEDの電流がピークに達すると、コンパレータが作動し、タイマーがリセットされ、MOSFETが一定時間オフになることがわかります。その時間が経過すると、再び電源がオンになり、このプロセスが繰り返されます。周波数は実際にはアナログ方式で制御されており、非常にスムーズかつ簡単に実行でき、CPU負荷はまったく必要ありません。
LEDを調光するには、アナログ調光または変調調光を行うことができます。アナログ調光とは、電流制御の設定点を制御することを意味します。そのため、たとえば、ドライバICのアナログ入力を介して設定点を調整し、設定点を上下に動かすと、LEDの明るさが変わります。あるいは、変調調光を行うこともできます。変調調光とは、LEDを非常に速くオン/オフすることを意味します。そして、私たちが知覚する光の量は、LEDを流れる電流の時間平均に相当します。
では、高品質の照明を実現する場合、アナログ調光と変調調光のどちらが優れているのでしょうか?
アナログ調光では、0.1% まで下げようとすると問題が発生します。これらの問題はアナログ部品の許容誤差によるものであり、スイッチ モード電源ではリップルも問題になることがよくあります。ただし、変調調光では、青い円のエッジが十分に急峻で、LEDのオン/オフを非常に鮮明に制御できる限り、0.1% を簡単に選択できます。
変調調光のもう1つの利点は、LEDがオンのときは常に一定の電流が流れるため、LEDの色が変化しないことです。一方、アナログ調光では、調光すると電流が減少し、LEDの色が少し変化することがあります。
現在、変調調光にはパルス幅変調とパルス密度変調の2種類があります。パルス幅変調は、現在のMLDを制御するために可変デューティ サイクルを持つ固定周波数です。パルス密度変調は少し異なります。LEDには固定のオン タイマー ビットがあり、たとえば、特定のフレーム内でこれらの数を変更します。
では、電流と高品質のLEDを制御するにはどちらが優れているのでしょうか?
変調パルスは固定周波数で動作するため、ストロボやエイリアシングの問題が発生する可能性があります。ただし、パルス密度変調は周波数が常に変化するため、非常に高品質のLEDライトを生成し、カメラ対応の調光を行うのに適しています。調光には、LEDのオン/オフを切り替える以上の機能があります。一定の時間にわたってLEDを暗くする場合、人間の目がLEDの明るさを認識する方法と同じなので、指数曲線に沿って暗くする必要があります。
この曲線の青い領域に入ると、指数関数的な調光を行うのが少し難しくなります。このスポットでは、LEDの強度の小さな変化が人間の目に非常によく認識できます。したがって、変更はごく小さくする必要があり、ディザリングできればさらに良いでしょう。つまり、この曲線に沿って暗くなっていくのです。ある明るさから別の明るさへ非常に素早く切り替えて、その変化を滑らかにし、目には気づかれないようにすることができます。
高品質の照明を実現するには、調光だけでなく、色の混合も行う必要があります。したがって、電流を制御して1つのLEDを暗くすることができれば、異なる色のLEDを追加してそれらの明るさを個別に制御するだけで、色の混合が可能になり、見たい色を作り出すことができます。ただし、実際はそれよりも少し複雑です。いくつかの追加機能を追加する必要があります。したがって、高品質の照明に必要な機能の1つは、スムーズな色の変化を実現することです。これをリニア ウォークと呼び、LEDのグループのある明るさから別の明るさに変更することができます。下の例では、緑のLEDを少しだけ変更する必要があるグラフを確認できます。赤色LEDの明るさは大きく変化する必要がありますが、青色LEDはその中間くらいの明るさになるかもしれません。しかし、これらすべてが異なる速度で変化して、同時に目的の色になるようにする必要があります。これは目にとても心地よい滑らかな色の変化です。そして、これを実行すると、マイクロコントローラ内でリアルタイムにあらゆる変更を計算する必要があるため、CPUに多大な負荷がかかります。ハードウェアでそれを実行する方法があればいいのですが。
高品質の照明に必要なもう1つのことは、色を変えずに明るさを調整できることです。多くの場合、当社のLEDから特定の色を気に入った場合、その色を変えずに、明るさを調節できるようにしたいことがあります。つまり、その色を生成するすべてのチャネル、すべての色を変更する必要があるということです。たとえば、これは赤、青、緑、琥珀色です。これら4つすべてを同じ指数曲線に沿って暗くしたいのですが、明るさや強度がすべて異なるため、すべて一緒に暗くする必要があります。そのためには、この調光曲線から得られる調光レベルと強度の積である明るさレベルを生成します。強度のグループが実際に色を定義します。調光回数と強度を掛け合わせると明るさが得られ、色を変えずにこの指数曲線に沿って変化させることができます。
Infineon XMC 1000マイクロコントローラ ファミリはARM Cortex M0をベースとしており、実際には3種類のアプリケーション向けに設計されています。LED照明モーター制御およびスイッチ モード電源。これは、当社の業界標準コアに基づいた非常に優れたファミリであり、高品質の照明を生成するために、これまでに説明したすべてのことを実行する特別な機能が組み込まれています。XMC 1000は、すでに説明したように、オンチップのアナログ コンパレータとタイマーを使用してLEDのピーク電流制御を行うことができます。
市場で非常にユニークなもう1つの機能は、これまで説明した他のすべての機能を処理する明るさと色のコントロール ユニットです。明るさと色の制御ユニットは、パルス密度変調、線形ウォーキング、指数調光、指数調光に沿ったディザリングを実行し、これらすべてを最大9チャネルのLEDに対して実行します。これは、BCCU、タイマー ユニット、アナログ コンパレータを使用して制御される赤、青、緑のLEDランプの例です。ご覧のとおり、モジュールはすべて連携して動作し、これまで説明してきたすべての機能を実行するように作られています。
では、CPUに残された作業は何でしょうか?BCCU、アナログ コンパレータ、およびタイマーは、CPUに負荷をかけずにすべてのLED機能を処理します。したがって、システム内で他のことも実行できます。通信が可能です。例えば、照明ではDALIやDMXが人気です。その他のアプリケーション固有のタスクも実行できます。あなたの製品には、おそらく他の誰もできないユニークな機能があり、アプリケーション固有のアイデアを実装するための十分なCPUパワーがすでに備わっているはずです。照明システムのACからDCおよび/またはDCからDCコンポーネントも対応可能です。
照明や照明用電源については、まだ説明していない別のセクションがあり、マイクロコントローラにはこれらを実行するための他の機能が多数あります。これまでに説明した電流制御と照明機能に加えて、XMCマイクロコントローラは、擬似共振フライバックや臨界伝導モードPFCなどの高度なACからDC、DCからDCへの電力変換トポロジも実行できます。XMCマイクロコントローラには、照明設計を非常に簡単に開始できる優れた開発ツール スイートが備わっています。私たちにはDaveシステムがあります。当社には、すべての周辺機器用の低レベル ドライバーであるXMC Libまたは当社ライブラリがあります。SDKを使用して独自のDaveアプリを作成できます。
照明やその他のアプリケーションの例もWeb上に多数掲載されています。マイクロコントローラ内のCPUのベンダーとしてARMを採用することの良い点は、サードパーティのサポート ツールが多数あることです。ARMは業界標準であり、コンパイラ、デバッガ、オペレーティング システムなど、さまざまなサードパーティ製品が存在します。
高品質の照明を実現するXMC機能を紹介するキットもご用意しています。弊社のWebサイトには、これまで説明してきた機能の多くを実行する、Arduino用の3チャンネル ピーク電流制御シールドが掲載されています。また、当社のリニア ドライバを使用したLED照明アプリケーション キットもご覧いただけます。そして数週間後には新しいキットが発売される予定です。これはXMCピーク電流制御エクスプローラーで、非常に高品質の光を生成します。これがどのように機能するかのデモもお見せできます。
ここでは、当社のXMC LED電流制御エクスプローラー キット2つを使用したデモを紹介します。これは、標準的なLEDパックライトを通して非常に低いレベルの光を生成します。私の目の下では非常に滑らかに見え、ちらつきは感じられません。しかし、カメラを持って行ってカメラでよく見てみると、ちらつきの水平線が見えます。ここで、非常に高い周波数の鋳造電流制御を生成するように調整された2番目のキットを接続します。これは、当社の高速アナログ コンパレータとタイマーでのみ可能なものです。そして、はるかに良い画像を見ることができます。ちらつきは全くありません。InfineonのLED照明ソリューションについて詳しく知りたい場合は、当社のWebページInfineon.comをご覧ください。
どうもありがとうございます。
