Светодиодные драйверы от Texas Instruments

№ 11’2013
PDF версия
Курс на энергосбережение закономерно повлек за собой бурное развитие рынка светодиодного освещения и стимулировал замену традиционных видов источников света светодиодными. Характеристики современных светодиодов постоянно улучшаются. Но светодиод очень чувствителен к качеству питающего напряжения. Чтобы максимально использовать все возможности светодиодов, необходимо грамотно организовать систему питания. В противном случае возможны значительное уменьшение срока службы светодиода или выход его из строя. Кроме того, в результате все более широкого внедрения энергосберегающих технологий возрастает необходимость в обеспечении высокого КПД схемы питания. Таким образом, очевидно, что создание оптимальной системы питания светодиодов — важная инженерная задача, при решении которой нужно учитывать многие факторы, например коррекцию коэффициента мощности.

Введение

ККМ, в частности, важен потому, что связан с величиной электрической мощности, потребляемой осветительным устройством. Высокое значение ККМ положительным образом влияет на уровень гармонических искажений в светодиодных установках.

Помимо ККМ нужно учитывать и проблему диммирования: необходимость в уменьшении интенсивности освещения возникает довольно часто. Это и снижение доли естественного освещения в конце рабочего дня, и изменение световой картины помещения, а также перевод освещения в «дежурный режим» с целью сокращения расходов. В настоящее время широкое распространение приобрели электронные диммеры, которые считаются компактными и экономичными. В современных электронных диммерах в качестве силового элемента используется тиристорный (симисторный) или транзисторный ключ. Принцип действия тиристорного диммера состоит в том, что, открывая тиристор в определенные моменты времени относительно перехода напряжения через 0, можно «обрезать» синусоидальные волны регулируемого напряжения и тем самым изменять действующее значение напряжения и ток в нагрузке.

Мощность и рабочий ток светодиодов в зависимости от модели составляют от нескольких миллиампер до ампера и более. Вместе с тем потребляемая мощность светодиодной нагрузки накладывает соответствующие требования на их системы энергообеспечения. Использование специализированных светодиодных драйверов является необходимым условием стабилизации номинального рабочего тока и контроля мощных светодиодных цепей. В этой статье мы рассмотрим AC/DC-драйверы для светодиодных светильников компании Texas Instruments (TI). TI предлагает широкий спектр драйверов светодиодов для использования в осветительных приборах различного назначения в таких сферах, как внутреннее и внешнее освещение, освещение автомагистралей, мониторы, малогабаритные приборы и т. д. [1].

Основные функции и особенности драйверов от TI:

  • Поддержка всех основных входных напряжений, конечно, в зависимости от модели (100, 120, 230, 240, 277 В).
  • Обеспечение точного значения тока на светодиоде.
  • Оптимальное соотношение цена/качество.
  • Эффективное преобразование энергии и низкое паразитное электромагнитное излучение.
  • Защита от превышения/занижения напряжения и блокировка при перегреве.

В таблице 1 представлен спектр микросхем для потолочных светильников. Большое разнообразие драйверов светодиодов, которые предлагает компания TI, обеспечивает оптимальное решение для любых видов портативной техники и осветительных систем [1].

Таблица 1. Решения TI для потолочных светильников

Название

Входное
напряжение

Изоляция

Димминг

Встроенная схема управления ККМ

Встроенный
МОП-транзистор

Применение

TPS92310

120, 230 В AC

Есть

 

Есть

 

A-Lamp, R/PAR/BR, Down Light, GU10, T8

TPS92311

120, 230 В AC

Есть

 

Есть

Есть

A-Lamp

LM3447

120, 230 В AC

Есть

Есть

Есть

 

A-Lamp, R/PAR/BR, Down Light

LM3445

120, 230 В AC

Есть

Есть

 

 

A-Lamp, R/PAR/BR, Down Light

LM3448

120, 230 В AC

Есть

Есть

 

Есть

A-Lamp

LM3444

120, 230 В AC

Есть

 

 

 

A-Lamp, R/PAR/BR, Down Light

LM3450

120, 230 В AC

Есть

Есть

Есть

 

Downlight

TPS92075

120, 230 В AC

Есть

Есть

Есть

 

A-Lamp, R/PAR/BR, Down Light, GU10, T8

TPS92560

12 В AC, 12 В DC

 

 

 

 

MR16, AR111

LM3401

12 В AC, 12 В DC

 

Есть

 

Есть

MR16

LM3444

12 В AC, 12 В DC

 

Есть

 

 

MR16, AR111

LM3492

12 В AC, 12 В DC

 

Есть

 

Есть

AR111

Как уже было сказано, для реализации функции диммирования в настоящее время используются в качестве силового элемента тиристоры или же их разновидность — симисторы. Такие диммеры отличаются простотой конструкции, компактной и сравнительно малобюджетной схемой. Для использования совместно с тиристорами созданы специализированные драйверы. LM3445 — представитель первого поколения драйверов светодиодов TI с поддержкой тиристорного диммирования. LM3445 представляет собой драйвер светодиодов, где управление выходным током осуществляется на основе технологии СОТ (Constant off time, постоянное время выключения). Этот драйвер управляет мощными светодиодами, используемыми в устройствах промышленного и бытового освещения. Основным отличием этой микросхемы от подобных является возможность управления яркостью светодиодов при помощи внешнего тиристорного регулирования. Эта дополнительная функция позволяет расширить сферу применения светодиодных светильников и эффективно использовать их без дополнительной доработки вместо ламп накаливания в сетях, где уже вмонтированы «плавные регуляторы света» (тиристорные регуляторы).

Другая микросхема, выпущенная TI, — LM3447 — это контроллер квазирезонансного обратноходового преобразователя. Силовой транзистор включается при минимальном напряжении на стоке, это обеспечивает снижение потерь и уменьшение электромагнитных помех. Особенностью контроллера является управление мощностью в первичной обмотке, что позволяет обойтись без изолированной обратной связи. При этом LM3447 обеспечивает высокий (>0,9) коэффициент мощности, а также плавное управление яркостью светодиодов при помощи обычного тиристорного регулятора. Эта микросхема удачно дополняет вышедшие ранее модели LM3445 и TPS92310.

Также нужно отметить LM3448, которая отличается от моделей LM3447 и LM3445 наличием МОП-ключа, имеющего вертикальную структуру. За счет этого сокращается количество внешних элементов, что приводит к упрощению процесса разработки. Драйвер LM3448 представляет собой адаптивный понижающий преобразователь, работающий совместно с симисторными диммерами. Микросхема LM3448 рассчитана на работу в системах мощностью от 2 до 8 Вт с полным диапазоном регулировки яркости. Она совместима с внешними цепями корректировки коэффициента мощности.

Что касается драйверов линейки TPS, то в нее входят off-line контроллеры управления, оснащенные функцией коррекции коэффициента мощности. При этом измерение параметров осуществляется в первичной сети.

Драйверы UCC28810 обеспечивают управление обратноходовыми преобразователями. К тому же их можно совместно использовать как с понижающими, так и с повышающими преобразователями. Преобразователи в таких схемах работают в режиме критической проводимости. В UCC28810 реализован ШИМ-контроллер с функцией коррекции мощности, способный работать как в топологиях с трансформатором (обратноходовая схема), так и без него (индуктивные преобразователи). Для управления внешним мощным транзистором в UCC28810 встроен драйвер с пиковым током до ±750 мА.

TPS92070 — усовершенствованный ШИМ-контроллер. Это оптимальное решение для использования в маломощных приложениях светодиодного освещения, для которых необходимо тиристорное диммирование. Интегрированная в TPS92070 схема диммирования позволяет использовать ее для тиристорного управления яркостью. Контроллер TPS92070 обеспечивает ток светодиода без эффекта фотометрических пульсаций. В TPS92070 реализовано экспоненциальное управление световым потоком в зависимости от позиционирования внешнего диммера. Высокий коэффициент мощности достигается за счет схемы заполнения провалов в форме тока. При обнаружении переднего фронта диммера TPS92070 отключает схему корректора мощности, что дает возможность оптимизировать работу драйвера. Ток светодиода измеряется прецизионным усилителем ошибки, позволяющим реализовать глубокое диммирование.

В этой статье представлен далеко не весь обзор линейки светодиодных драйверов от TI: более подробная информация расположена на официальном сайте компании [1]. Высокая надежность, присущая всем продуктам компании, обеспечивает длительный срок службы проектируемых устройств. КПД преобразования позволяет увеличить время работы осветительных систем. Высокая частота преобразования, а также малые габариты микросхем и минимальное количество внешних компонентов дают возможность создавать компактные устройства. Кроме того, следует отметить, что ни один производитель не предлагает такого разнообразия микросхем данного назначения, как TI.

Подробнее расскажем о микросхеме TPS92075, предназначенной для использования в LED-лампах и потолочных светильниках с возможностью управления яркостью освещения (рис. 1).

Функциональная схема

Рис. 1. Функциональная схема

Микросхема выпускается в стандартном корпусе SOIC‑8, а также в сверхминиатюрном корпусе TSOT‑6 размером менее 2×3 мм (рис. 2, таблица 2).

Цоколевка выводов (вид сверху): SOIC (D) — восемь выводов; TSOT (DDC) — шесть выводов

Рис. 2. Цоколевка выводов (вид сверху):
а) SOIC (D) — восемь выводов;
б) TSOT (DDC) — шесть выводов

Этот прибор обеспечивает коэффициент мощности более 0,9, обеспечивая равномерное — без мерцания — изменение яркости при использовании с обычными регуляторами яркости свечения. В состав микросхемы входит цепь декодирования фазово‑модулированного сигнала симисторного диммера. Специальный управляющий алгоритм позволяет оптимизировать совместную работу драйвера с симисторным диммером, свести к минимуму наводимые помехи и повысить коэффициент мощности изделия. Микросхема предназначена для работы с внешним силовым ключом.

Таблица 2. Описание выводов TPS92075

Название
вывода

SIOC (D)

TSOT (DDC)

Описание

Номер вывода

ASNS

8

1

Через этот контакт поступает фаза TRIAC, которая затем подается в цифровой декодер.  Пороги: 1 В — рост, падение — 0,5 от номинала

COFF

2

6

Используется для установки постоянного времени выключения

GATE

4

4

Power MOSFET. Этот выход обеспечивает управление затвором MOSFET

GND

1

2

Вывод для заземления

ISNS

5

3

Используется для отслеживания протекающего через нагрузку тока

VCC

3

5

Входное напряжение. Этот контакт используется для питания внутренних схем. Отключение питания при пониженном напряжении VCC осуществляется в широком диапазоне. Пороги срабатывания схемы защиты от пропадания питания:
10 В — при подаче напряжения;
6 В — при отключении питания

TPS92075 является гибридным контроллером коэффициента мощности со встроенным декодером фазы диммирования [2, 3].

Характеристики и преимущества новой микросхемы:

  • Встроенный цифровой декодер фазы.
  • Быстрый запуск.
  • Защита от перенапряжения и короткого замыкания, термозащита.
  • Блокировка при недостаточном напряжении.
  • Высокий КПД.
  • Балансирование симметрии фазы.
  • Цифровая 50/60 Гц синхронизация.
  • Работа в понижающем или понижающем/ повышающем режиме, что позволяет использовать микросхему в 120‑ или 230‑В AC LED-лампах и светильниках.
  • Миниатюрные размеры (самые малые в своем классе).
  • Коррекция фактора мощности свыше 0,9 соответствует нормативным требованиям к осветительным приборам.
  • Изменение яркости свечения: без мерцания.
  • Совместимость с различными тиристорными регуляторами.

 

Применение

Схема подключения микросхемы TPS92075 приведена на рис. 3.

Простая схема подключения TPS92075

Рис. 3. Простая схема подключения TPS92075

Драйвер TPS92075 обеспечивает ток через индуктивность, контролируя следующие параметры (рис. 4):

  • пиковый ток (А);
  • время выключения (В).
График управления по времени

Рис. 4. График управления по времени

Ток катушки индуктивности при открытом Q2 протекает через сопротивление R7. Напряжение R7 сравнивается с эталонным напряжением на выводе ISNS микросхемы. Когда напряжение на R7 равно контролируемому опорному напряжению и ток на катушке индуктивности достиг своего пикового значения, Q2 выключается. После того как Q2 выключен, включается таймер, задающий постоянную времени выключения. На конденсаторе C8 начинает расти напряжение. Следующий цикл начинается, когда напряжение на С8 достигает 1,2 В. На этом заканчивается фиксированный цикл выключения и сбрасывается напряжение на C8. Для устранения пульсаций тока на светодиодах используется конденсатор C3.

Для формирования опорного напряжения, которое в дальнейшем используется для преобразования, в TPS92075 используется запатентованная технология.

Основные режимы работы:

  • запуск;
  • режим отключенного диммирования;
  • диммирование;
  • отсутствие ASNS-сигнала.

За исключением режима запуска контроллер может перейти в любой из режимов в зависимости от условий. Для формирования опорного напряжения используются два основных режима:

  • DC mode;
  • Ramp mode.

Диммирование осуществляется с помощью симисторного регулятора мощности (triac-диммера). Этот способ управления отличается низкой стоимостью реализации и удобством интеграции.

 

Электромагнитный фильтр

Обеспечение соответствия требованиям по электромагнитной совместимости при использовании TPS92075 достигается при минимальных требованиях к фильтрации. Готовые решения на основе этой микросхемы были протестированы с фильтрацией как по входу (фильтрация по переменному току), так и с фильтром по выходу диодного моста. В обоих случаях были достигнуты требования по совместимости. Настоятельно рекомендуется использовать сглаживающий фильтр для подавления резонансных колебаний фильтра и улучшения его совместимости с симистором (triac).

При разработке фильтра электромагнитных помех необходимо учитывать несколько факторов и конструктивных особенностей:

  • использование Х вместо не-Х конденсаторов в фильтре;
  • использование керамических, а не пленочных конденсаторов;
  • требования к характеристикам компонентов по AC- и DC-сторонам диодного моста;
  • используемый тип фильтрации на стороне моста AC или DC и его влияние на угол насыщения симистора и диапазон диммирования;
  • постоянная времени в схеме сглаживающего фильтра.
Эффективность TPS92075 при различных выходных нагрузках

Рис. 5. Эффективность TPS92075 при различных выходных нагрузках

На рис. 5 представлен график зависимости эффективности TPS92075 от различных нагрузок. Показано, что эффективность драйвера варьируется в диапазоне от 81 до 87%, в зависимости от количества подключаемых светодиодов, и практически не зависит от входного напряжения.

Зависимость выходного тока от нагрузки

Рис. 6. Зависимость выходного тока от нагрузки

 

Типовые схемы реализации

Типовые схемы реализации приведены на рис. 7.

Типовая реализация драйвера с питанием от сети переменного тока, с AC-фильтром, DC-фильтром и реализация драйвера в виде инвертирующего преобразователя с применением резистивной Start-up и AUX конфигурации

Рис. 7.
а) Типовая реализация драйвера с питанием от сети переменного тока (AC-фильтр)
б)Типовая реализация драйвера с питанием от сети переменного тока (DC-фильтр)
в) Типовая реализация драйвера в виде инвертирующего преобразователя с применением резистивной Start-up и AUX конфигурации

 

Средства разработки

Компания TI выпускает специальные отладочные платы со всем необходимым для разработки и тестирования прототипа устройства [5] (рис. 8).

Отладочная плата

Рис. 8. Отладочная плата

Для расчетов предлагается калькулятор параметров, выполненный в виде Excel-программы, с удобным пользовательским интерфейсом. Эта программа позволяет рассчитать основные параметры разрабатываемого устройства, указав нужные характеристики.

 

Заключение

В статье приведен краткий анализ линейки светодиодных драйверов компании TI. Эти микросхемы найдут свое применение в различных светодиодных осветительных системах, упростят процесс разработки, а также модернизацию уже существующих решений. Высокое качество продукции и широкий спектр номенклатуры, предлагаемый TI для разработки систем освещения, позволяют создавать на ее основе современные осветительные приборы.

Литература
  1. https://www.ti.com/power-management/overview.html
  2. http://www.ti.com/product/tps92075
  3. http://www.ti.com/lit/gpn/tps92075
  4. http://www.ti.com/lit/ug/slvu813a/slvu813a.pdf
  5. http://www.ti.com/tool/pmp6009
  6. http://www.ti.com/tool/tps92075design-calc

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *