SMC-basierte XMC Mikrocontroller von Infineon ermöglichen die Einrichtung hochwerter LED-Beleuchtung, die bis auf 0,1 % gedimmt werden kann sowie exponentielles Dimmen, glatte Farbmischungen und kein wahrnehmbares Flimmern.
Hi, ich bin Mike Copeland und arbeite als Anwendungsmanager für industrielle Mikrocontroller bei Infineon Technologies. Heute möchte ich Ihnen mehr über hochwertige LED-Beleuchtung erzählen und Ihnen zeigen, wie Sie sie mit den XMC-basierten Mikrocontrollern von Infineon herstellen können.
Wenn wir von hochwertiger Beleuchtung sprechen, dann bedeutet das, dass die Beleuchtung bis zu 0,1 % der maximalen Helligkeit gedimmt werden kann. Weiterhin muss sie über stufenloses exponentielles Dimmen und glatte Farbmischungen verfügen. Außerdem darf dabei kein wahrnehmbares Flimmern auftreten. Sie sollten weder mit den Augen, dem Gehirn oder einer Kamera in der Lage sein, dieses Flimmern zu erkennen.
Zuerst müssen wir den Strom steuern, der durch die LED fließt. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten, für die externe LED-Stromcontroller nötig sind. Es gibt lineare Controller wie BCR320U und BCR403. Diese Controller fungieren so ähnlich wie Spannungsregulatoren. Sie können die Strommenge, die durch die LEDs fließt, anhand der Werte für die Sollstrommesswiderstände oder Sollwerte anpassen. Außerdem gibt es noch Schaltstromcontroller für LEDs, wie den ILD6150. Diese folgen einem anderen Prinzip. Sie verhalten sich eher wie ein Schaltspannungsregler. Die Stromrestwelligkeit nimmt zu und ab und wird von einem externen Induktor gesteuert. Sie können den Sollwert durch analoge Eingabe oder Messwiderstand steuern.
Die kleinen Kreise mit der Wolke in der Sinuskurve bedeuten, dass Sie dieses Schaltbild auf unsere Website simulieren können. Wenn Sie Infineon.com besuchen, finden Sie dort dieses Schaltbild und können eine vollständige, analoge Simulierung des Schaltkreises aufrufen. Mit dem XMC-Mikrocontroller können wir auch den Schaltstrom steuern.
Hier ist ein Beispiel mit dem XMC 1302, für das ein interner analoger Komparator und Timer verwendet werden. Die Timer und Komparatoren arbeiten zusammen, um Spitzenstromstärken durch eine feste Sperrzeit zu steuern. Und wir können diese Sperrzeit anpassen an die Eigenschaften des Stromkreises, die Eingangsspannung, die Induktorengröße und den LED-Vorwärtsspannungsabfall. Hier einige Details dazu, wie das funktioniert.
Wenn der Strom in der LED den höchsten Punkt erreicht, wird der Komparator ausgelöst, der Timer zurückgesetzt und der MOSFET wird für einen bestimmten Zeitraum ausgeschaltet. Nach Ablauf dieser Zeit wird er wieder angeschaltet und der Vorgang wiederholt sich. Die Frequenz wird analog gesteuert. Das funktioniert reibungslos, ist einfach zu handhaben und erfordert absolut keine CPU-Last.
Um nun eine LED abzublenden können wir analoges Dimming oder Modulationsdimming verwenden. Beim analogen Dimming muss nur der Sollwert unserer Stromregler gesteuert werden. Wir passen den Sollwert also durch einen Analogeingang z. B. auf dem Treiber-IC, an und verschieben ihn nach oben und unten, und die LED-Helligkeit ändert sich. Wir könnten auch Modulationsdimming verwenden. Modulationsdimming bedeutet, wir schalten die LED sehr schnell an und aus und die Lichtmenge, die wir dann wahrnehmen, entspricht der Durchschnittszeit, die der Strom braucht, um durch die LED zu fließen.
Was ist also besser: analoges Dimming oder Modulationsdimming, um eine hochwertige Beleuchtung zu erzielen?
Analoges Dimming hat einige Probleme, wenn ein Wert unter 0,1 % erreicht werden soll. Die Ursache für diese Probleme sind Toleranzen in den analogen Komponenten, und in Kombination mit Schaltnetzteilen kann auch die Restwelligkeit oft ein Problem sein. Beim Modulationsdimming können wir jedoch leicht 0,1 % wählen, solange diese Ränder in den blauen Kreisen hier steil genug sind, sodass wir eine ganz klare An-/Aus-Steuerung der LED erreichen.
Der zweite Vorteil des Modulationsdimming ist die Tatsache, dass sich die Farbe der LED nicht ändert. Denn wenn die LED angeschaltet ist, dann immer bei der gleichen festen Stromstärke, während beim analogen Dimming der Strom beim Abblenden reduziert wird, wodurch die Farbe der LED leicht variieren kann.
Nun gibt es zwei Arten von Modulationsdimming: Impulsbreitenmodulation (PWM) und Impulsdichtemodulation. Die Impulsbreitenmodulation arbeitet mit einer festen Frequenz mit einem variablen Arbeitszyklus zur Steuerung des aktuellen MLD. Die Impulsdichtemodulation jedoch, ist es ein wenig anders. Die Zeit, in der die LED an ist, ist konstant und man variiert die Anzahl dieser „An“-Zeiten innerhalb eines bestimmten Zeitfensters.
Was ist also besser für die Steuerung der Stromstärke und hochwertiger LEDs?
Da die Impulsbreitenmodulation mit einer festen Frequenz arbeitet, könnte sie Probleme mit dem Strobing und Aliasing haben. Die Impulsdichtemodulation jedoch, da sich die Frequenz ständig ändert, eignet sich viel besser für die Erzeugung hochwertigen LED-Lichts und erzielt Dimming-Ergebnisse, die kamerafähig sind. Nun bedeutet Dimming mehr nur die LED an- und auszuschalten. Wenn wir eine LED über bestimmten Zeitraum abblenden, müssen wir sie entlang einer Exponentialkurve abblenden, da unser Auge die Helligkeit einer LED auf diese Weise wahrnimmt.
Das exponentielle Dimming ist etwas kompliziert im Bereich des blauen Bereichs dieser Kurve hier unten. An diesem Bereich sind die kleinen Änderungen in der Intensität der LED sehr deutlich wahrnehmbar für das menschliche Auge. Daher müssen wir diese Änderungen möglichst gering halten, noch besser ist es, wenn wir per Dithering Schwankungen erzielen, damit wir beim Abblenden entlang dieser Kurve sehr, sehr schnell vor- und zurückspringen können, von einer Helligkeitsstufe zur nächsten, um diesen Übergang so glatt zu gestalten, dass das Auge ihn nicht erkennt.
Neben dem Dimming für hochwertige Beleuchtung, müssen wir auch in der Lage sein, Farben zu mischen. Wenn Sie also den Strom steuern und eine LED abblenden können, sind Sie auch in der Lage Farben zu mischen, indem Sie einfach mehrere LEDs in verschiedenen Farben hinzufügen und dann deren Helligkeit einzeln steuern, um dadurch die gewünschte Farbe zu erzeugen, die Sie sehen wollen. Aber es ist ein wenig komplizierter als das. Wir müssen noch einige zusätzliche Eigenschaften hinzufügen. Eine Eigenschaft, die wir für hochwertige Beleuchtung benötigen, ist ein sanfter Farbwechsel, einen so genannten „Linear Walk“ (wörtl. „lineare Wanderung“), bei dem wir von einer Helligkeitsstufe bei einer Gruppe von LEDs zu einer anderen Helligkeitsstufe wechseln. In diesem Beispiel muss im Diagramm unten die grüne LED vielleicht nur ein wenig verändert werden. Die rote LED muss sich stark in Helligkeit ändern und die blaue ein wenig, aber wir wollen, dass sie sich alle in unterschiedlichem Ausmaß ändern, damit sie gleichzeitig die gewünschte Farbe erreichen. Dabei handelt es sich um einen reibungslosen Farbwechsel, der angenehm für das Auge ist. Dies kann zu einer starken CPU-Last führen, da Sie die unterschiedlichen Veränderungen in Echtzeit im Mikrocontroller berechnen müssten. Es wäre nett, wenn es eine Möglichkeit gäbe, dies mit der Hardware selber zu lösen.
Weiterhin müssen wir bei hochwertiger Beleuchtung in der Lage sein, das Dimming ohne Farbänderung vorzunehmen. Oftmals sind Sie in der Situation, dass Sie eine bestimmte Farbe unserer LED dimmen wollen, ohne dabei die Farbe zu ändern. Das bedeutet, dass Sie alle Kanäle ändern müssen, die eben jene Farbe erzeugen und alle anderen Farben auch. In diesem Beispiel haben wir Rot, Blau, Grün und Bernstein. Wir wollen alle vier entlang derselben exponentiellen Kurve dimmen, aber sie alle haben eine unterschiedliche Helligkeit oder Intensität, so dass wir sie zusammen dimmen müssen. Wir erreichen dies, indem wir eine sogenannte Helligkeitsstufe erzeugen, die aus der Dimmingstufe dieser Dimmingkurve entsteht sowie den Intensitäten und der Gruppe der Intensitäten, die die Farbe bestimmen. Durch die Multiplikation von Dimmingzeiten und Intensität erhalten wir die Helligkeit. Dann können wir Veränderungen entlang dieser exponentiellen Kurve vornehmen, ohne dass sich die Farbe ändert.
Die Infineon XMC 1000-Familie der Mikrocontroller basiert auf dem ARM Cortex M0. Sie wurden für drei Arten von Anwendungen entwickelt. Motorsteuerung für LED-Beleuchtung und Schaltnetzteil. Es handelt sich dabei um eine nette Familie, die auf unserem Industriestandardkern basiert, und wir haben ihr einige besondere Eigenschaften hinzugefügt, um all diese bereits besprochenen Dinge zu ermöglichen, die hochwertige Beleuchtung produzieren. XMC 1000 erreicht Spitzenstromstärken für LEDs, wie wir bereits anhand der On-Chip Komparatoren und Timer gesehen haben.
Eine weitere Sache, die ihn einzigartig auf dem Markt macht, ist die Steuereinheit für Helligkeit und Farbe, die für die ganzen anderen Eigenschaften zuständig ist, über die wir gesprochen haben. Die Steuereinheit für Helligkeit und Farbe moduliert die Impulsdichte, sie führt die lineare Wanderung durch, sie ist für das exponentielle Dimmen zuständig und das Dithering entlang des exponentiellen Dimmens. Sie ist für bis zu neun Kanäle mit LEDs zuständig. Hier ist ein Beispiel einer roten, blauen und grünen LED-Lampe, die mit der BCCU, den Timereinheiten und den analogen Komparatoren gesteuert wird. Wie Sie sehen, arbeiten alle Module zusammen, um die Funktionen auszuführen, über die wir gesprochen haben.
Welche Aufgaben hat dann die CPU noch zu verrichten? Die BCCU, die analogen Komparatoren und Timer kümmern sich um alle LED-Funktionen ohne CPU-Last, damit wir noch andere Dinge im System tun können. Wir können zum Beispiel kommunizieren. DALI und DMX sind beliebt, wenn es um Beleuchtung geht. Und wir können andere anwendungsspezifische Aufgaben ausführen. Vermutlich hat Ihr Produkt etwas, das es einzigartig macht, und das niemand anders kann. Jetzt haben Sie ausreichend CPU-Kraft, um Ihre anwendungsspezifischen Ideen zu implementieren. Wir können auch die AC/DC und/oder DC/DC-Komponenten Ihres Beleuchtungssystems übernehmen.
Es gibt noch einen ganz anderen Abschnitt über Beleuchtung und Stromzufuhr, über den wir noch nicht gesprochen haben, und der Mikrocontroller besitzt dafür zahlreiche entsprechende Eigenschaften. Zusätzlich zur Stromversorgung und den Beleuchtungseigenschaften, über die wir gesprochen haben, sind XMC-Mikrocontroller in der Lage, fortgeschrittene AC/DC und DC/DC -Wandlungstopologie vorzunehmen, wie quasi-resonantes Flyback und kritischen Leistungsmodus-PFC. XMC-Mikrocontroller verfügen über eine Reihe Entwicklungsinstrumente, die Ihnen den Einstieg in das Beleuchtungsdesign einfach machen. Wir haben unser Dave-System. Wir haben die XMC Lib oder unsere Bibliothek für Low-Level-Treiber für all unsere Peripheriegeräte. Sie können mit SDK Ihre eigenen Dave-Apps erstellen.
Außerdem haben wir im Internet zahlreiche Beispiele für Beleuchtungen und andere Anwendungen. Das Schöne daran, dass ARM ein Lieferant für die CPU im Mikrocontroller ist, ist die große Menge an Support-Instrumenten von Drittanbietern. Für ARM als Industriestandard gibt es viele Drittanbieter für Compiler, Debugger, Betriebssysteme und vieles mehr.
Außerdem verfügen wir über Kits, die XMC-Eigenschaften für hochwertige Beleuchtung aufzeigen. Auf unserer Website finden Sie ein dreikanaligen Spitzenstromschild für Arduino, der viele der Eigenschaften besitzt, über die wir gesprochen haben. Außerdem finden Sie dort auch ein Anwendungskit für LED-Beleuchtungen, das unsere linearen Treiber verwendet. In wenigen Wochen erscheint dann auch noch ein neues Kit. Dieser XMC-Spitzenstromexplorer erzeugt hochwertige Beleuchtung. Ich kann Ihnen sogar eine Demonstration dazu zeigen.
Hier haben wir eine Demonstration mit zwei unserer XMC-LED- Stromexplorerkits. Dieser hier erzeugt sehr wenig Licht mit einem regulären LED-Puck. Wenn ich es mir ansehe, dann erkenne ich keinerlei Flimmern. Wenn ich jedoch meine Kamera einsetze und es mir damit ganz genau ansehe, dann sehe ich horizontale Flimmerlinien. Jetzt schließe ich ein zweites Set an, das so eingestellt wurde, dass es eine sehr hohe Frequenz an Stromregelung erzeugt. Dies ist nur mit unseren schnellen analogen Komparatoren und Timern möglich. Und schon sehen Sie ein viel besseres Bild. Keinerlei Flimmern. Wenn Sie gerne mehr über Infineons LED-Beleuchtungslösungen erfahren möchten, besuchen Sie unsere Website, Infineon.com.
Vielen Dank.
