Меню

Интегральные драйверы для светодиодного освещения



Интегральные драйверы для светодиодного освещения часть I: АС/DC-драйверы

29 октября 2010

Светодиодное освещение, как один из видов энергосбережения, все шире используется в нашей повседневной жизни. Поправки к СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10, принятые 15.03.2010 г., разрешили применение светодиодных светильников во всех сферах, кроме учреждений дошкольного, школьного и профессионально-технического образования.

Для обеспечения продолжительного срока службы, высокой надежности и стабильности характеристик светильников светодиоды, используемые в них, необходимо питать постоянным стабильным током.

В качестве источника питания можно выбрать готовое решение в виде модульного источника тока. Производителей подобных изделий много: MEAN WELL, Inventronics, Philips Advance и др. Преимущество такого выбора очевидно — нужно только подобрать по требуемым параметрам модуль, который имеет вход и выход, встроить его в светильник и выполнить необходимые электрические подключения. При таком подходе обеспечивается максимально быстрый выход разрабатываемого изделия на рынок, так как не требуется дополнительной разработки и проведения испытаний, связанных с источником питания.

Однако не всегда можно использовать готовый модуль. Например, если при расчете светильника требуется «нестандартное» значение тока через светодиоды, или напряжение питания отличается от сетевого. Дело в том, что за редким исключением модульные источники имеют значение выходного тока, кратное 350 мА (700, 1050 мА и т.д.) и, как правило, рассчитаны на сеть 220 В и 50 Гц. Популярные (ввиду невысокой цены и хорошей эффективности) мощные светодиоды MX6 компании CREE имеют номинальный ток 300 мА, что несколько ниже «стандартного» значения силы тока. На рынке представлены модульные источники и с подобными характеристиками (300…310 мА), но они встречаются нечасто (например, компании Soaring). Также модули не подходят, если требуется в разрабатываемом изделии реализовать функцию автоматического управления яркостью в зависимости от каких-либо условий. Несомненно, на рынке присутствуют модульные источники с функцией управления, но их номенклатура ограничена, и не всегда можно подобрать подходящий по всем параметрам модуль. Бывают ситуации, когда габаритные размеры или конструкция модульного источника не подходят под разрабатываемое устройство. Например, светильник имеет круглый форм-фактор, а выбранный по электрическим параметрам модуль — прямоугольную форму и большие габаритные размеры, и это препятствие никак не обойти. Также надо учитывать и экономический фактор. При серийном производстве разработанный источник питания под свои конкретные цели и задачи будет иметь меньшую себестоимость по сравнению с покупным.

Во всех этих случаях выходом из положения будет применение в разрабатываемом светодиодном светильнике интегральных драйверов, которые обеспечивают большую свободу выбора электрических и конструктивных параметров устройства питания светильника и часто оказываются просто незаменимыми. Используя интегральные драйверы, можно построить схему питания непосредственно на светодиодном модуле. Если в светильнике используются несколько светодиодных линеек, то достаточно просто организовать их питание так, что каждая линейка будет питаться от своего драйвера с точно заданным значением тока. Применяя в этом случае модульные источники, мы должны или выбирать многоканальные (дорогостоящий вариант), или мириться с некоторым перераспределением тока через цепочки при выборе одноканального.

Так как светодиодное освещение относится к энергосберегающему, то одним из основных параметров источника питания является его коэффициент полезного действия (КПД). Именно здесь, правильно выбрав используемые комплектующие и построение схемы, можно существенно поднять общую эффективность осветительного прибора.

Номенклатура выпускаемых интегральных драйверов по способу стабилизации делится на две большие группы: линейные и импульсные стабилизаторы тока (рис. 1). Ввиду больших значений токов в осветительных приборах линейные стабилизаторы не нашли в них применения из-за низкой эффективности. Они в основном применяются для питания сверхъярких светодиодов, например, в экранах, табло, для подсветки различных устройств. В осветительных приборах применяются исключительно импульсные стабилизаторы, использование которых позволяет достичь КПД 95…98% в широком диапазоне входных/выходных напряжений.

Рис. 1. Классификация драйверов в интегральном исполнении

Потери в импульсном преобразователе можно разделить на две группы: потери при преобразовании, связанные с неидеальностью параметров применяемых комплектующих, и потери в цепи обратной связи. Снизить первые можно, применяя более современные и качественные комплектующие: микросхемы с малым собственным током потребления; быстродействующие транзисторные ключи с минимальным внутренним сопротивлением, лучшими частотно-временными параметрами и небольшой энергоемкостью по входу; а также используя более качественные моточные изделия и т.д. Потери, возникающие в цепи обратной связи, напрямую зависят от значения опорного напряжения (напряжения обратной связи), относительно которого происходит стабилизация тока. Применяя микросхемы с минимально возможным значением опорного напряжения, можно использовать более низкое значение сопротивления датчика тока, рассчитанного на меньшую рассеиваемую мощность, что в конечном итоге минимизирует общие потери в источнике питания и повысит его КПД. В современных интегральных драйверах напряжение обратной связи находится в диапазоне от 100 до 250 мВ.

Читайте также:  Рассчитать сечение кабеля для уличного освещения

В зависимости от величины Uвых/Uвх интегральные драйверы делятся на DC/DC-понижающие (buck), DC/DC-повышающие (boost), DC/DC-понижающе-повышающие (buck-boost) и AC/DC-преобразователи (рис. 1).

AC/DC-преобразователи могут иметь в схеме корректор коэффициента мощности (ККМ) и строиться по топологии с наличием или отсутствием гальванической связи выхода и первичной сети.

При проектировании схемы питания светильника необходим комплексный подход. Нельзя рассматривать источник питания в отрыве от нагрузки (светодиодного модуля) и конструкции изделия. Разрабатывая светодиодный модуль, необходимо представлять, по какой схеме он будет строиться. Пренебрегая комплексным подходом, можно в итоге получить либо неработоспособный светильник, либо прибор, который не будет удовлетворять требованиям нормативных документов, и, соответственно, его невозможно будет сертифицировать.

В осветительном приборе возможно применение любого типа AC/DC-преобразователя; главным является выполнение требований нормативных документов.

ГОСТ Р 51317.3.2-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний» косвенно регламентирует наличие/отсутствие ККМ.

В соответствии с данным документом все оборудование делится на четыре класса: A, B, C и D. Класс С — это источники питания светового оборудования — именно то, что нас интересует. Граница разделения по эмиссии гармонических составляющих в приборах этого класса определяется потребляемой мощностью и составляет 25 Вт. На приборы с потребляемой мощностью меньше 25 Вт требования на эмиссию гармонических составляющих менее жесткие (таблицы 1 и 2). Для выполнения этих требований в схему источника питания часто приходится вводить активную коррекцию мощности с коэффициентом 0,8…0,99.

Таблица 1. Нормы гармонических составляющих тока для ИП светового оборудования мощностью менее 25 Вт

Порядок гармонической составляющей, n Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, % основной гармонической составляющей потребляемого тока
2 2
3 30 l *
5 10
7 7
9 5
11 ≤ n ≤ 39 (только для нечетных гармонических составляющих) 3
* Коэффициент мощности цепи

Таблица 2. Нормы гармонических составляющих тока для ИП светового оборудования мощностью более 25 Вт

Порядок гармонической
составляющей, n
Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока на 1 Вт мощности ТС, мА/Вт Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, А
3 3,4 2,3
5 1,9 1,14
7 1 0,77
9 0,5 0,4
11 0,35 0,33
13 ≤ n ≤ 39 3,85/n в соответствии с таблицей 1

Коэффициент мощности l является комплексным показателем, характеризующим эффективность использования ресурсов источника питания, и определяется как отношение между активной (полезной) и полной (активной и реактивной) потребляемой мощностью преобразователя напряжения: l =Pвх.ак/Sвх.полн. Коэффициент мощности показывает, какая часть потребляемой из первичной сети энергии идет на преобразование, а какая — «гуляет» по проводам, не совершая полезной работы (реактивная составляющая), вынуждая прокладывать провода с увеличенным сечением во избежание перегрева.

К чему на практике приводит отсутствие ККМ и невыполнение этих требований? При традиционном построении источника питания, когда его входная цепь содержит выпрямительный мост и сглаживающий конденсатор (реактивная нагрузка), ток из сети потребляется кратковременно в виде коротких импульсов, совпадающих с пиковым значением входного напряжения, в сети появляются высшие гармоники тока, и искажается форма напряжения сети. Основную опасность представляют все кратные третьей гармоники тока. Дело в том, что эти гармоники из каждой фазы суммируются в нулевом проводнике трехфазной сети, что может привести к его перегреву и возгоранию изоляции. Задача ККМ состоит в том, чтобы сформировать входной ток источника питания синусоидальной формы, по фазе совпадающий с входным напряжением, т.е. сделать источник питания по отношению к первичной сети активной нагрузкой.

Какой источник питания использовать для питания светодиодного светильника — гальванически развязанный или гальванически связанный с первичной сетью? Прямого запрета на использование того или другого нет. Опять же, есть нормативный документ ГОСТ Р МЭК 60598-1-2003 «Светильники. Общие требования и методы испытания», в соответствии с которым все светильники делятся на три класса по защите от поражения электрическим током:

  • Класс I- защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и присоединением доступных для прикосновения проводящих деталей к защитному (заземленному) проводу стационарной проводки таким образом, чтобы доступные проводящие детали не могли стать токоведущими в случае повреждения основной изоляции;
  • Класс II- светильник, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией, применением двойной или усиленной изоляции, и, который не имеет устройства для защитного заземления или специальных средств защиты в электрической установке;
  • Класс III- светильник, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается применением безопасного сверхнизкого напряжения питания (БСНН по данному документу до 50В включительно).

Для каждого из этих классов установлены требования к электрической прочности изоляции: Класс I — 2U+1000 В; Класс II — 4U+2750 В; Класс III — 500 В, где U — напряжение питания светильника, В.

Читайте также:  Для чего временное освещение

При разработке самого светильника и источника питания к нему с использованием AC/DC-преобразователя важно обеспечить необходимую электрическую прочность изделия выбором материалов и конструктивных решений. Например, изделие по классу I может иметь гальваническую связь с сетью, но при этом необходимо, чтобы доступные для прикосновения токопроводящие детали имели защитное заземление и применяемые комплектующие и материалы смогли обеспечить напряжение пробоя более 1440 В между входной клеммой и корпусом изделия. Как вариант, можно применить в изделии источник питания, гальванически не связанный с сетью, а необходимое значение напряжения пробоя (1,44; 3,63 кВ) обеспечить межслойной изоляцией в трансформаторе, например, основной изоляцией и/или двойной изоляцией.

Выше говорилось о некоторых теоретических аспектах, на которые следует обращать внимание при выборе того или иного AC/DC-драйвера и схемы для построения источника питания осветительного прибора на его основе. Теперь перейдем к рассмотрению номенклатуры интегральных драйверов.

Производителей интегральных драйверов в мире немало. Практически каждый из них имеет в составе своих изделий линейку интегральных драйверов для светодиодного освещения. Например, Texas Instruments (TI), STMicroelectronics (ST), International Rectifier (IR), ON Semiconductor (ON), Supertex, Macroblock, Zetex.

Продукция компании Texas Instruments уже давно завоевала популярность у отечественных разработчиков и доказала свою высокую надежность. Линейка AC/DC-драйверов для светодиодных светильников представлена следующими микросхемами (рис. 2).

Рис. 2. AC/DC-драйверы Texas Instruments

Наибольшую популярность (ввиду невысокой цены и хорошей функциональности) нашли микросхемы UCC28810/28811, которые отличаются друг от друга по двум параметрам: порогу блокировки при снижении напряжения (15,8 и 12,5 В, соответственно) и выходному току встроенного трансимпедансного усилителя отклонения (1,3 и 0,3 мА, соответственно).

Упрощенная схема включения UCC28810 с гальванической развязкой от сети показана на рис. 3.

Рис. 3. Типовая схема включения UCC28810/1

Эта микросхема является однокаскадным ШИМ-контроллером со встроенным ККМ. На основе данного драйвера возможно построение как гальванически развязанного, так и гальванически связанного с первичной сетью источника питания со стабилизацией по току. Мощность источника питания может варьироваться от нескольких десятков до сотни Ватт и даже более (до 250 Вт). Значение максимальной мощности зависит от параметров внешнего ключевого транзистора и габаритной мощности трансформатора. Драйверы UCC28810/28811 разработаны для управления обратноходовыми понижающими или повышающими преобразователями, работающими в режиме критической проводимости, где схема ШИМ находится в автоколебательном режиме, включение которого обеспечивается детектором нулевой энергии трансформатора (вывод TZE), а выключение осуществляется компаратором, чувствительным к току. Детектор нулевой мощности позволяет отключать выход контроллера при малой нагрузке без возникновения опасных перенапряжений.

Микросхема содержит встроенный усилитель ошибки обратной связи; генератор опорного тока, вырабатывающий ток в зависимости от входного напряжения; компаратор; логическую схему ШИМ; выходной каскад для управления внешним транзистором; ограничитель пикового тока; таймер перезапуска; схему защиты от перенапряжений и вход разрешения.

ШИМ-контроллер UCC28811 более подходит для схем источников питания с двухступенчатым преобразованием (ККМ с двойным преобразованием) для питания мощных уличных светильников, а UCC28810 — в качестве одноступенчатого преобразователя для питания светильников бытового и местного назначения. Источник питания на основе UCC28810 обладает более быстрым запуском и улучшенными переходными процессами. Так как схема однокаскадного преобразования с ККМ не имеет после диодного моста фильтрующей емкости, не удается избавиться от пульсаций выходного тока с удвоенной частотой сети. Величина этих пульсаций составляет несколько процентов и может быть уменьшена увеличением емкости конденсатора во вторичной цепи, но при этом, конечно, понизится скорость отработки изменений в петле обратной связи.

Оба контроллера доступны в 8-выводном корпусе SOIC и рассчитаны на работу в температурном диапазоне -40…105°С.

Texas Instruments предлагает и готовые решения (референс-дизайны), выполненные на базе UCC28810: UCC28810-EVM-001 (25 Вт, 750 мА, без гальванической развязки); UCC28810-EVM-002 (100 Вт, 350 мА, без гальванической развязки); UCC28810-EVM-003 (100 Вт, с гальванической развязкой).

Подобные источники питания можно построить и на интегральных драйверах STMicroelectronics (рис. 4).

Рис. 4. Номенклатура AC/DC-драйверов STM

Продукция компании STMicroelectronics позволяет проектировать источники питания светодиодных светильников по разным топологиям: без гальванической развязки и с гальванической связью, с однокаскадным преобразованием с ККМ и с двухкаскадным преобразованием с ККМ.

В линейке продукции имеются преобразователи под общим названием VIPer — это обычные ШИМ-контроллеры для стабилизаторов напряжения, рассчитанные на относительно небольшие мощности (до 20 Вт), и преобразователи для стабилизации тока, требующие применения дополнительного DC/DC-драйвера по низкому напряжению.

Наибольший интерес представляет драйвер L6562A/AT (рис. 5).

Рис. 5. Упрощенная схема включения L6562A/AT

Источник питания выполнен по схеме однокаскадного обратноходового понижающего преобразователя с функцией корректора мощности. Через вход MULT с резистивного делителя на микросхему поступает сигнал одного полупериода входного напряжения, полученного после входного выпрямителя. Форма входного напряжения для ШИМ-преобразователя является опорным сигналом, и ток через силовой ключ задается в соответствии с полученной формой входного напряжения, поэтому потребляемый преобразователем ток имеет синусоидальную форму и совпадает по фазе с питающим напряжением. На выходе преобразователя получается стабилизированное напряжение. В цепи обратной связи можно организовать опторазвязку либо обойтись без нее. Поскольку на выходе преобразователя получается стабилизированное напряжение, то для питания светодиодов требуется включение DC/DC-драйвера. Так как в данной схеме мы имеем два преобразования (по высокому напряжению и по низкому напряжению), можно ожидать, что результирующий КПД системы будет несколько ниже по сравнению с UCC28810, где используется одно преобразование.

Читайте также:  Освещение от солнца это

Принцип работы драйвера L6562A/AT принципиально не отличается от рассмотренного выше драйвера UCC28810. В схеме включения UCC28810 была реализована обратная связь по току, а в случае изделия STM — по напряжению.

По подобным схемам строится большинство источников питания для светодиодных светильников на мощности от нескольких десятков ватт и выше. Если же требуется запитать светильник сравнительно небольшой мощности и небольших габаритов, например, светодиодный светильник для прямой замены ламп накаливания с цоколем Е27/E14, то можно выбрать драйвер уже рассмотренного выше производителя Texas Instruments TPS92210 или компании Supertex HV9910B/ HV9961. Причем на драйвере TPS92210 можно изготовить гальванически развязанный от сети источник питания светодиодов с ККМ, а на HV9910B/HV9961 — без гальванической развязки и без ККМ.

Типовая схема включения TPS92210 приведена на рис. 6. Выходной каскад этой микросхемы имеет каскадную схему включения, что позволило снизить потери при переключении по высокому напряжению и тем самым поднять общую эффективность преобразователя. Драйвер имеет защиту от обрыва цепи светодиодов, от перенапряжения на выходе и от перегрева.

Рис. 6. Схема включения TPS92210

Компания Supertex является одним из лидеров в производстве полупроводниковых изделий, изготовленных по высоковольтным технологиям. Напряжение питания микросхем составляет 90…450 В.

На рисунке 7 приведена схема включения HV9961 в источнике питания с входным напряжением 90…265 В; выходным напряжением 40…60 В; выходным током 350 мА.

Рис. 7. Схема включения HV9961

Источник питания, выполненный на основе данного драйвера, отличается простотой, малыми габаритами и невысокой стоимостью. Микросхема позволяет разработчику выбирать параметры источника питания в широких пределах. Имеется встроенный источник опорного напряжения 272 мВ. Задание тока через цепочку светодиодов осуществляется выбором резистора в цепи истока ключевого транзистора, если напряжение на выводе LD более 1,5 В, то: I =0,272/R6 (A), в другом случае I =Vld/5,5R6.

Величина индуктивности L1 зависит от максимального значения напряжения на цепочке светодиодов V, времени нахождения ключа в закрытом состоянии Toff, значения тока через цепочку светодиодов I и размаха пульсаций выходного тока («пик-пик»). Размах пульсаций принимают, как правило, равным 20…40%.

L =V x Toff/0,4 x I

Время нахождения ключа в закрытом состоянии определяется сопротивлением резистора R1 (диапазон от 30 кОм до 1 МОм): Toff (мкс) = R1(кОм)/25 +0,3.

Частота преобразования микросхемы находится в диапазоне 50…120 кГц и определяется сопротивлением R1.

Микросхема выпускается в двух типах корпусов — SOIC-8 и SOIC-16. При входном напряжении источника 220 В и 50 Гц лучше использовать SOIC-16, т.к. этот тип корпуса позволяет отвести от микросхемы больше тепла. Дело в том, что микросхема питается от выпрямленного сетевого напряжения (310 В), собственный ток потребления микросхемы на уровне 1 мА, но через нее течет больший ток из-за перезаряда входной емкости ключевого транзистора: I = 1 мА + Q x f, где Q — энергоемкость транзистора по входу; f — частота преобразования.

Поэтому транзистор, который будет применяться в данной схеме, необходимо выбирать не только с учетом максимального напряжения «сток-исток», но и с учетом Q. Рекомендация: если частота преобразования менее 100 кГц, то Q менее 25 нКл; если более 100 кГц, то Q менее 15 нКл.

Понизить тепловыделение микросхемы (рассеивание мощности) можно, включив в цепь питания стабилитрон на 150…200 В. На эту величину понизится напряжение питания микросхемы, и, соответственно, снизится рассеиваемая мощность.

Рассмотренный драйвер HV9961 полностью заменяет разработанный ранее и имеющий очень широкое применение драйвер HV9910B. HV9961 отличается от HV9910B лучшими характеристиками по точности и стабильности поддержания выходного тока.

Заключение

Источник питания является одним из основных составляющих светодиодного прибора и обеспечивает качественные характеристики светильника на протяжении всего срока службы. Основными задачами разработчика являются правильный выбор драйвера и построение схемы питания с учетом многих, часто противоречащих друг другу, требований.

Источник

Adblock
detector