DSM
Maxim發布整合DSM智慧放大器大幅提升音量
美信(Maxim)宣布推出MAX98390智慧放大器,整合動態揚聲器管理(DSM)演算法,大幅提升音量並獲取更清晰、更豐富的音質,具有當前市場最低的靜態功耗,進一步縮小尺寸,滿足使用者對時尚產品的嚴苛要求。升壓型數位D類DSM智慧放大器能夠安全穩定地為微型揚聲器提供更高等級的功率(高達5.1W,遠超~3W典型值),充分發揮系統的音訊性能。
當今消費性設備要求揚聲器必須安置於更小的空間尺寸,使得越來越多的應用開始採用微型揚聲器。揚聲器體積越小,音量或聲壓等級(SPL)越低,諧振頻率越高,進而導致低音衰減。透過加大微型揚聲器驅動來提高音量和低頻回應,很容易造成過熱和振膜擺幅過大,損壞微型揚聲器。MAX98390透過採用整合的IV (電流和電壓)檢測技術和Maxim專有的DSM演算法,將揚聲器驅動到其最大限值,並提供過沖和過熱保護,輕鬆應對上述設計挑戰。DSM元件的熱保護功能使設計者能夠安全穩定地驅動揚聲器,突破額定功率限制,獲得最大音量。DSM振膜保護使設計者能夠驅動揚聲器到其振膜規定的限值,突破諧振頻率的下限,改善低頻回應(兩個八度)。
為了有效地保護揚聲器,放大器演算法必須基於對揚聲器的特性充分瞭解,例如諧振頻率、振膜擺幅限值以及音圈熱保護。傳統上,設計者必須經過耗時且複雜的特徵分析過程,或者依賴於供應商的支援,對其揚聲器及其外殼進行特徵分析。由於大多數專案在原型開發階段會採用不同的揚聲器,供應商需要在長達數周時間提供支援或要求特殊的設備及專業知識,進一步加大了設計挑戰。MAX98390透過簡單易用的DSM Sound Studio GUI,協助客戶快速、輕鬆地對多種揚聲器進行特徵分析,大幅縮短設計階段。
結合DSM的熱保護功能,無需複雜程式設計,幾分鐘內即可在超寬頻率範圍內獲得最大音量。為了迎合設備微型化、電池小型化的發展需求,MAX98390提供高達86%的峰值效率,利用DSM的感知降功率(PPR) 技術使效率進一步提升25%,最低靜態功耗僅為24mW,有效延長電池壽命,是低功耗設備的理想選擇。
Silicon Labs推出隔離類比放大器/電壓感測器/DSM套件
芯科科技(Silicon Labs)宣布推出一系列新型隔離類比放大器、電壓感測器和Delta-Sigma調變器(DSM)套件,以在完整溫度範圍內確保超低溫度漂移的精確電流和電壓量測。Silicon Labs新型Si89xx系列產品以強大的第三代隔離技術為基礎,提供彈性的電壓、電流、輸出與封裝選擇,協助開發人員降低BOM成本、縮減電路板空間,廣泛適用於工業和綠色能源應用,包含電動汽車(EV)電池管理和電源系統、DC-DC轉換器、驅動馬達、太陽能和風力渦輪機逆變器等。
精準的電流和電壓量測對功率控制系統的精確操作非常重要。為大幅提高效率並即時回應故障或負載變化,系統控制器需要蒐集高電壓軌上的電流和電壓資訊。Silicon Labs第三代隔離技術可在1414V工作電壓和13kV雙極突波的廣泛溫度範圍內保持控制器的安全性,滿足嚴格的產業標準。
Silicon Labs副總裁暨電源產品總經理Brian Mirkin表示,在過去的十年中,第一代和第二代混合訊號隔離技術成功的將數位隔離產品推向廣大市場,Si89xx系列產品則採用更高標準的第三代技術。隔離產品將逐漸取代傳統的光耦合器,並且優於競爭者的數位隔離產品,為電源系統設計的高電壓保護提供更佳的突波保護效能、可靠性、整合度和頂級安全性。
汽車電池和驅動馬達/太陽能逆變器系統需要實現可靠的電流監控和高抗噪性。相較於競爭者產品,Si89xx元件可提高3倍共模瞬變抗擾度(CMTI)。支援75kV/μs瞬變抗擾度確保在嚴格的工業應用中蒐集可靠、精確的電流數據。如果未檢測到高壓側供電電壓,Si89xx系列產品將為主機控制器提供故障安全性提示。
Si89xx元件提供最低±40μV的典型偏移誤差以及±0.1%的增益誤差,實現精確量測。典型零點漂移最低±0.15μV/˚C,典型增益漂移最低-6ppm/˚C,如此可確保在整個溫度範圍內具有卓越的精度。元件並提供業界最高的訊號雜訊比(SNR),最高可達90dB。獨特的低功耗模式可在電壓從另一側移除後自動將隔離柵一側的電流消耗降至約1mA,控制器可透過簡單的場效電晶體(FET)管理電源。
8位元MCU小兵立大功 LED驅動控制更精確/智慧
此外,整合的核心獨立周邊,與純類比或ASIC方案相比可顯著提升靈活性,擴展照明產品功能的同時塑造產品差異化,進而實現創新。這類智慧照明解決方案具備故障預測和維護、能量監測,色溫維持以及遠端通訊和控制等功能,功能之豐富不勝枚舉,因而備受市場青睞。
雖然LED驅動器與先前的照明解決方案相比具備諸多優勢,但其實現過程中也會面臨許多挑戰。而本文章主要目的在於,讓設計人員瞭解如何使用8位元MCU來輕鬆應對這些設計上的挑戰,進而打造出高性能的開關模式LED驅動解決方案。
8位元微控制器可獨立控制最多四串LED迴路,這是大多數現成LED驅動器控制器所欠缺的一項獨特能力。圖1中LED調光引擎可由微控制器中提供的周邊構成。這些LED引擎均具有獨立的封閉迴路,極少需要或是甚至不需要中央處理單元(CPU)干預即可控制開關模式電源轉換器。這樣可以釋放CPU以執行其他重要任務,比如系統中的監控功能、通訊功能或新增的智慧功能。
圖1 8位元微控制器控制四個LED串之示意圖
驅動控制由LED調光引擎主導
圖2中,基於電流模式升壓轉換器的LED驅動器由LED調光引擎控制。該引擎主要由互補輸出發生器(COG)、數位訊號調變器(DSM)、比較器、可程式設計斜坡產生器(PRG)、運算放大器(OPA)和脈寬調變器3(PWM3)等核心獨立周邊(CIP)組成。這些CIP與參考電壓源(FVR)、數位至類比轉換器(DAC)和捕捉/比較/PWM(CCP)等其他內建周邊一起組成完整的引擎。COG將高頻開關脈衝提供給MOSFET Q1,並將能量和供電電流傳輸給LED串。
圖2 LED調光引擎
COG輸出的開關週期透過CCP和工作週期設置,用於維持LED恒定電流,具體取決於比較器輸出。每當Rsense1兩端的電壓超過PRG模組的輸出時,比較器會產生一個輸出脈衝。PRG的輸入源自回饋電路中的OPA輸出,它被配置為斜率補償器,以在工作週期大於50%時抵消固有次諧波振盪的影響。OPA模組實現為具有II型補償器配置的誤差放大器(EA)。FVR用作DAC輸入,根據LED恒定電流規範為OPA同相輸入提供參考電壓。
為了實現調光目的,PWM3用作CCP輸出的調變器,同時驅動MOSFET Q2以使LED快速迴圈亮起和熄滅。調變操作可透過DSM模組來完成,調變後的輸出訊號饋送到COG。PWM3可提供工作週期可變的脈衝,用於控制驅動器的平均電流,實際上控制的是LED的亮度。LED調光引擎不僅可以實現典型LED驅動器控制器的功能,而且還具備解決LED驅動器典型問題的能力。現在,我們將探討這些問題並分析如何使用LED調光引擎來加以避免。
頻閃為驅動器主要挑戰之一
頻閃是典型開關模式可調光LED驅動器可能面臨的挑戰之一。雖然精心策劃的頻閃會帶來有趣的效果,但如果LED發生意外頻閃,則會破壞用戶期望的燈光設計。為避免頻閃並且提供平滑調光體驗,應該確保驅動器從最高檔位(即100%燈光輸出)一直到最低檔位的調光效果都是連續流暢的。
由於LED會瞬間回應電流變化並且不具有阻尼(Dampening)效果,因此驅動器必須具有足夠多的調光檔位才能確保人眼察覺不到變化。為了滿足這一要求,LED調光引擎採用PWM3來控制LED的調光。PWM3具有16位元解析度的PWM,從100%到0%工作週期共有65,536個檔位,可保證亮度平滑切換。
負載開關提升LED色溫轉換率
LED驅動器還可以轉換LED的色溫。 此顏色變化是人眼能夠察覺得到的,削弱了客戶對享受優質LED照明體驗的主張。圖3給出了典型的PWM LED調光波形。當LED熄滅時,由於輸出電容緩慢放電,LED電流會逐漸減小。此事件會導致LED發生色溫漂移且功耗增大。可以使用負載開關來防止輸出電容緩慢放電。例如,在圖2中,電路使用Q2作為負載開關,LED調光引擎會同步關閉COG PWM輸出和Q2,以便切斷電流衰減路徑,讓LED快速熄滅。
圖3 LED調光波形
避免峰值電流影響LED壽命
當使用開關模式功率轉換器驅動LED時,將採用回饋電路來調節LED電流。但是,如果在調光期間操作不當,回饋電路會產生峰值電流(圖3)。回顧圖2,當LED點亮時,電流傳輸到LED,RSENSE2兩端的電壓饋送到EA;當LED熄滅時,沒有電流傳輸到LED,RSENSE2電壓變為零。在此調暗期間,EA輸出會增加到最大值,並使EA補償網路過充。當調變的PWM再次導通時,如果有高峰值電流驅動到LED,則需要若干個週期才能恢復。此峰值電流會削減LED的使用壽命。
為避免這一問題,LED調光引擎允許將PWM3當作OPA的覆蓋來源(Override Source)。當PWM3為低電平時,EA輸出呈三態,將補償網路與反饋回路完全斷開,並將保持最後一個穩定回饋點作為補償電容中儲存的電荷。當PWM3為高電平且LED再次點亮時,補償網路重新連接,EA輸出電壓立即跳到其先前的穩定狀態(PWM3為低電平之前),且幾乎立即恢復LED電流設定值。
LED調光引擎實現更多功能
如前文所述,LED調光引擎極少需要或甚至不需要CPU干預即可正常工作。因此,在將所有對於LED驅動器的控制工作分配給各個CIP時,CPU將具有充足的頻寬來執行其他重要任務。此外,藉由對檢測到的輸入和輸出電壓進行處理,可以執行欠壓鎖定(UVLO)、過壓鎖定(OVLO)和輸出過壓保護(OOVP)等保護功能;這樣可確保LED驅動器按照規範要求工作,並且LED不受異常輸入和輸出條件的影響。
CPU還可以處理來自感測器的溫度資料,以實現對LED的熱管理。而且,當設置LED驅動器的調光級別時,CPU可以處理來自簡單外部開關或串列通訊命令的觸發訊號。此外,LED驅動器的參數可以通過串列通訊的方式發送到外部設備以進行監控或測試。除了上述功能之外,設計師還可以在自己的LED應用中添加更多智慧功能,包括通訊(例如,DALI或DMX)和客製化控制功能等。總而言之,LED調光引擎可用於打造高效型開關模式可調光LED驅動器。高效性體現在其能夠驅動多個LED串、提供高效能源、確保LED達到最佳性能、維持較長的LED使用壽命以及在系統中增添遠端遙控及智慧控制功能等。
(本文作者為Microchip 8位元微控制器產品部主任應用工程師)