スマートライティングのための全統合電源ソリューション
Zhihong Yu、MPS AC/DCおよび照明製品マーケティングマネージャ
スマートホーム、IoT、および「つながった世界」のトレンドは世界の電子機器の成長の主な推進要因であり、スマートライティングは世界の照明業界の新しいフロンティアと見なされています。スマートライティングの概念の主な用途に関して、業界は現在、光強度の調光、照明の色温度調整、周囲の検知、および監視に重点を置いています。ただし、将来的には、スマートライティング用途はこの範囲をはるかに超えて拡張でき、スマートライティング機器はハブとして使用でき、IoTシステムおよびスマートホーム / スマートオートメーションネットワークの主要コンポーネントとして統合できます（1）。
この記事では、スマートライティング、特にスマート電球の電源ソリューションに焦点を当てます。
スマートライティングシステムの設置、ワイヤレス制御の人気と手頃な価格、およびスマートライティングシステムの利点に関する意識の高まりに関する政府のイニシアチブは、スマートライティングソリューションの世界的な需要を後押しする他の重要な要因です。Research and Marketsの2017年の調査によると、世界のスマートライティング市場は25.44％の複合年間成長率を示し、2017年の68億ドルから2022年までに合計市場規模は212億ドルに達すると予測されています（2）。
いくつかの市販のスマート電球（Cree Connected Bulb（3）やPhilips Hue（4）など）の分解レポートを参照すると、これらの電球の主な構造はかなり似ています（図1を参照） 。定電流（CC）LEDドライバ（MPS MP4027など）は、定電圧（CV）降圧ドライバ（MPS MP15xやMP17xなど）に加えてメインLEDを駆動し、5Vまたは3.3Vのいずれかで Zigbee / Wifi / Bluetooth /その他のトランシーバICとメインマイクロプロセッサに電力を供給します。トランシーバICに加えてマイクロプロセッサにより、エンドユーザーはモバイルデバイスを使用して照明をリモートで制御できます。この制御モジュールは、パルス幅変調（PWM）またはその他のデジタル信号（I2Cなど）を送信して、LEDドライバの調光を制御します。
図1：現在人気のあるスマートライティングパワー構造
このトポロジは理想的なように見えますが、このパワーステージは、ソリューションサイズをさらに最小化することと、スタンバイ電力損失をさらに減らすことの2つの課題に直面しています。
A19およびPAR電球のサイズは業界標準に準拠しており、増加することはありません。通常の電球にスマートライティング機能を追加すると、設計者は同じスペースにより多くの電子機器を詰め込む必要があります。これは大きな課題であり、スペースの制限により、設計者はより少ないLEDを使用するか、より少ないLED電力を使用して熱管理を容易にすることができます。設計者は、必要なすべての電子機器に合うようにカスタマイズされたPCB形状を採用する必要がある場合があり、これにより組み立てコストが増加します。
さらに、顧客や立法機関は、待機電力消費の重要性に徐々に気づいています。設計者は、厳しいエネルギー消費基準を持つ特定の地域で製品を魅力的または販売可能にするために、超低待機電力を備えたスマートライティングデバイスを設計することが期待されています。たとえば、ヨーロッパのCoC第２層では、49Wの電力定格の下にあるすべての外部電源装置のスタンバイ損失が75mW以下である必要があります。スマートライティング製品も同様に、近い将来、特定のエネルギー仕様を満たすことが期待されています（5）。現在、多くのスマート電球は、無線回路の電力使用量が原因で待機損失が大きくなっていますが、これは避けられないため、待機損失は電力段からしか節約できません。
スマートライティング回路のサイズをさらに縮小し、待機損失を低減するために、より優れた集積総電力ソリューションを図2に示します。ここで、CV回路とCC回路をシングルチップソリューションに統合して、回路のBOMとスタンバイ損失を削減できます。
図2：スマート電球用の既存の電源ステージから新しい電源ソリューションへの移行
図2に示すソリューションを採用することにより、回路設計者は1つの制御IC、1つの外部インダクタ、およびその他の抵抗とコンデンサを排除し、スマート電球の電源セクションでPCBスペースとBOMコストを少なくとも20?30％削減できます （図3を参照）。
図3：既存の電源ステージと新しい電源ソリューションの部品数比較
さらに、このソリューションは、電源セクションが高度に統合されており、無負荷または軽負荷で最適化された最小の動作周波数で電源オフ時に休止状態のままにすることができるため、20mW未満のシステム待機電力を実現できます。
MP4057Aの動作モードを図4に要約します。起動時、VDDはN_Forward巻線から供給されます。次に、ICは、MCU自体によって制御されるDIMピンを監視することにより、CVモード（LEDがオフのときにのみMCUに電力を供給する）またはCCモード（MCUとLEDの両方に電力を供給する）のどちらで実行するかを決定します。
CVモード（DIMピンがロー）の間、VCCはICへの電源として機能します。N_flybackとNs巻線の比率は、CVモードでLEDが点灯しないように調整できます。また、スマート周波数変調アルゴリズムが実装されており、LED負荷の変化に対する低スタンバイ電力と高速過渡応答を保証し、MCU電力での電圧降下や、CV / CC遷移中のLEDのちらつきがないことを保証します。
図4：制御方法リファレンス
DIMがMCUからのPWM信号を検知して調光を制御すると、ICはCCモードになります。フィードバック電圧は、CV出力を一定に保ちながら、DIMを読み取ってDIMデューティサイクルに基づいてLED電流を変更することによって変調されます。CCモードの場合と同様に、MCU Voピンも十分に高くする必要があるため、ICはMCUを駆動するのに十分な電圧を提供するために5％の最小LED調光深度に制限されます。Vo電力ループは、電流検出抵抗（Rs1とRs2）の比率を設定することにより、メインLED電流ループから切り離されます。
LED電流制御の場合、このソリューションは一定オンタイム（COT）制御方式を実装し、高力率も保証します。オン/オフ遷移は、谷の切り替え中に発生し（ゼロ電流検出（ZCD）ピンを介して検出することにより）、遷移モード制御とも呼ばれるターンオン損失とダイオード逆回復損失を排除します。このICには、最小オフ時間（EMIを改善するため）、最先端のブランキング、過電圧保護（OVP）、過電流保護（OCP）、過熱保護（OTP）などの他の機能も含まれています。
図5は、LEDの負荷効率と力率性能を示し、図6は、非常に線形なPWM調光性能を示しています。 図7に、あらゆる種類のPARランプに適した8W参照設計の回路基板を示します。注文情報については、MP4057AはMCU電源用に3.3Vを提供し、MP4057Bは5Vを提供します。
図5：LEDの負荷効率と典型的な力率
図6：PWM調光比
図7：評価ボードEV4057A-K-00A:
(L x W x H) 66mm x 25mm x 15mm
230Vac / 50Hz 入力、分離フライバックコンバータ、VLED = 21V、ILED = 0.37A、Vo = 3.3V、Io = 50mA
要約すると、IPで保護されたソリューションは、既存のソリューションと比較して、より高いシステム密度とより低いコストを提供します。 AC/DCおよび照明コントローラ製品の完全なリストについては、 LEDライティングおよびライティングのページにアクセスするか、最寄りのMPS代理店へお問い合わせください。
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- http://www.researchandmarkets.com/research/8bnwls/smart_lighting
- 照明、LED、スマートライティング市場の概要: https://energy.gov/sites/prod/files/2016/02/f29/smallwood_mktadoption_raleigh2016.pdf
- Cree Connected LED電球の分解: https://www.youtube.com/watch?v=q-hLMCeCnj0
- Philips HUE（2016）LED電球の分解: https://www.youtube.com/watch?v=4L1ZqvQ2qVU
- 新しいグループがIoT照明器具の標準を推進 2017/05: http://www.ledsmagazine.com/articles/2017/05/new-group-pushes-standards-for-iot-luminaires.html
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