Оптимизация разработки драйверов сверхъярких светодиодов

В последние годы уровень развития сверхъярких светодиодов (HBLED) позволяет использовать их для архитектурного, уличного, комнатного и декоративного освещения, а также для световой рекламы. Также HBLED стали альтернативой CCFL - флуоресцентным лампам с холодным катодом - в качестве подсветки ЖК-телевизоров и мониторов. Технология HBLED продолжает развиваться, и светоотдача диодов ныне достигает 35...50 лм/Вт, что превосходит лампы накаливания и галогеновые лампы и соответствует флуоресцентным. В дальнейшем планируется создать устройства со светоотдачей >100 лм/Вт, превышающей светоотдачу флуоресцентных ламп и соответствующей характеристикам HID-ламп.

Необходимо отметить, что регулировка силы света (диммирование) для флуоресцентного освещения является сложной и дорогостоящей задачей, а при использовании HID-ламп со светоотдачей ниже 50% вообще невозможна, но достаточно легко осуществима во всей линейке HBLEDs.

Сверхъяркие светодиоды выпускаются различных цветов, размеров и номиналов мощности. Их электрические характеристики, особенно прямое падение напряжения, значительно варьируются в зависимости от типа. Кроме того, существует значительный разброс характеристик между разными партиями, что приводит к расширению допусков. Прямое падение напряжения также характеризуется отрицательным температурным коэффициентом, что осложняет выбор источника, подходящего для данного приложения. В настоящее время многие имеющиеся на рынке источники питания линеек сверхъярких светодиодов просто обеспечивают постоянное напряжение. Этот метод, хотя и понятен неподготовленному пользователю, является алогичным и накладывает ограничения на систему, а также приводит к снижению ее эффективности.

Классификация сверхъярких светодиодов осуществляется по току, а не по напряжению. Различные светодиоды характеризуются разными цветами и значениями прямого падения напряжения, но одинаковыми номиналами тока, например, 350 или 700 мА.

HBLED продаются как по отдельности, так и в составе панелей, содержащих несколько светодиодов, соединенных последовательно, через которые протекает тот же ток, что и через каждый по отдельности. Однако поскольку прямое падение напряжения на каждом светодиоде составляет примерно 4 В, понятно, что суммарное напряжение последовательности HBLED значительно возрастает, и во избежание его увеличения выше требуемого значения, панели обычно состоят из последовательно и параллельно соединенных цепей светодиодов. Например, панель Lumileds Flood состоит из 12 светодиодов, которые соединены в шесть параллельно-последовательных пар светодиодов, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Типовая панель из 12 сверхъярких светодиодов

В этом примере изготовитель соединил сверхъяркие светодиоды в параллельные пары. Поскольку они характеризуются отрицательным температурным коэффициентом прямого падения напряжения, чтобы предотвратить повышенное потребление тока одним светодиодом пары по сравнению с другим, их необходимо тщательно подбирать в процессе производства. К сожалению, даже небольшое несовпадение возрастет в процессе работы, потому что если один диод потребляет больший ток в силу меньшего падения напряжения на нем, он нагреется быстрее, и поэтому падение напряжения на светодиоде еще больше снизится, усиливая дисбаланс. Предположим, что производитель успешно подобрал пары. В этом случае шесть пар соединены последовательно таким образом, что значения прямого падения напряжения для разных пар могут отличаться. Суммарное напряжение панели в целом равно шести прямым падениям напряжения одного HBLED. Эти панели доступны в шести различных вариантах цвета свечения, а прямое падение напряжения на них варьируется от 17 до 21 В. С учетом допуска, для панели белого цвета получаем от 16 до 24 В. Температурный коэффициент составляет -12 мВ/°C, то есть если напряжение панели при комнатной температуре 25°C составляет 17 В, то при 50°C оно составит 16,7 В. В данном случае важным моментом является то, что номинальный ток панели остается равным 700 мА.

Хотя источники питания для HBLED присутствуют на рынке, они не предназначены для питания матрицы светодиодов, описанной выше, без дополнительного использования последовательного токоограничивающего резистора, который позволяет организовать питание панели с номинальным напряжением 17 В от источника питания 24 В с током 700 мА. Однако это приведет к нежелательной потере мощности: (24-17) x 0,7 = 0,49 Вт в виде рассеиваемого тепла, что противоречит цели энергосбережения в освещении. Номинал резистора для обеспечения тока 700 мА от источника 24 В на панели 17 В может быть рассчитан следующим образом:
(24-17)/0,7 = 10 Ом. Однако если напряжение панели равно 16 В, потребляемый ток будет равен (24-16)/10 = 800 мА, что значительно выше номинального значения, и, следовательно, все светодиоды будут работать в режиме перегрузки, а это негативно повлияет на срок их службы. С другой стороны, если бы напряжение панели было равно 18 В, ток был бы равен (24-18)/10 = 600 мА, что привело бы к значительному снижению светоотдачи. Нет необходимости говорить об изменении прямого напряжения в зависимости от температуры, чтобы показать очевидные недостатки источника постоянного напряжения. Все более ясным становится, что для управления светодиодами высокой яркости необходим источник постоянного тока.

Недавно компанией International Rectifier была запущена в производство управляющая ИС IRS25401 (рис. 2), реализованная в топологии с понижающим преобразователем для того, чтобы получить стабильный и регулируемый источник тока в широком диапазоне изменений входного напряжения и выходной нагрузки. Это делает ее идеальным решением для многих применений, где не требуется изоляция (например, там, где источник питания уже изолирован, или светотехническое устройство относится к классу 2 и размещено в закрытом корпусе, как в уличном светофоре). Что касается сферы архитектурного освещения, следует отметить, что электронные балласты для флуоресцентных или HID-ламп, как правило, также гальванически не изолированы от сети переменного тока.

Рис. 2. LED-преобразователь IRS25401

Топология с понижающим преобразователем пригодна только там, где входное напряжение выше выходного, что относится к большинству устройств световой рекламы, а также декоративного или архитектурного освещения. Поскольку большинство отказов HBLEDs вызвано коротким замыканием, стоит отметить, что если в последовательном соединении один светодиод неисправен, другие будут работать в обычном режиме. Однако в параллельном соединении короткое замыкание приведет к отказу всех светодиодов массива. Как показано на рисунке 1, если один светодиод высокой яркости в массиве вышел из строя в результате короткого замыкания, то только включенный с ним в пару диод не будет работать.

Понижающий преобразователь на основе IRS25401 с его уникальным драйвером верхнего плеча позволяет непрерывно контролировать ток нагрузки, точная регулировка которого осуществляется с использованием запатентованного гистерезисного метода управления с временной задержкой.

Система в целом очень проста и обладает большой гибкостью, позволяя подавать питание на светодиоды от шины постоянного тока или непосредственно от линии выпрямленного переменного тока. «Плавающий» драйвер верхнего плеча позволяет IRS25401 следить за током нагрузки светодиода, когда ключ понижающего регулятора находится во включенном и выключенном состояниях, что является преимуществом в реализации управления средним значением тока (рис. 3) в противоположность альтернативным системам, где ток может быть измерен только в фазе включенного состояния транзистора, во время которой используется управление пиковым током. Управление средним значением тока обеспечивает стабильную регулировку, которую можно проводить в более широком диапазоне нагрузок, не ограничивая возможности разработки, поскольку оно позволяет регулировать как время включения, так и выключения.

Рис. 3. IRS25401, схема управления средним значением тока

Преимущество состоит в том, что можно реализовать очень точное управление током при помощи эффективного и простого конструкторского решения, не прибегая к сложному анализу цепи.

Поскольку светодиодная нагрузка требует постоянного тока с минимальными пульсациями, драйверы постоянного тока работают в режиме постоянной проводимости независимо от того, используется режим пикового или среднего тока.

В случае схемы IRS25401 необходимо соблюдать осторожность и ограничивать перенапряжение во время силового переключения путем внесения определенных задержек между временем, когда ток нагрузки превышает или опускается ниже опорного уровня, и временем, когда понижающий переключатель меняет состояние. Эти задержки в сочетании с соотношением dI/dt тока нагрузки (IFB) также определяют рабочую частоту и скважность, которые в дальнейшем определяются значением понижающей индуктивности и выходного конденсатора, а также значениями входного и выходного напряжений преобразователя.

В этой конфигурации защита от перегрузки и короткого замыкания заложена по определению, поскольку выходной ток не изменяется, а открытую защиту нагрузки можно легко реализовать.

Хорошо известно, и тому имеются документальные подтверждения, что импульсные источники питания, которые работают в непрерывном режиме с использованием принципа управления пиковым током, подвергаются риску возникновения нестабильности из-за субгармонических колебаний.

Хотя этот эффект можно устранить при помощи компенсации спада, некоторые контроллеры светодиодов, имеющиеся на рынке, не дают возможности доступа к конденсатору генератора, что усложняет реализацию такой схемы. Кроме того, компенсация спада также вносит погрешность между измеренным значением тока и фактическим током нагрузки светодиода.

Вместо этого делаются попытки решить проблему управлением постоянным временем выключения, а не постоянной частотой. Это смягчает субгармонические колебания и позволяет работать при скважности свыше 50%, однако, чтобы увеличить ее значение, необходимо уменьшить частоту, что приведет к широкому разбросу частот в диапазоне скважности.

В системе, реализованной по принципу управления постоянным временем отключения, где частота равна 100 кГц при скважности 50%, частота должна составлять 20 кГц при скважности 90% и 180 кГц - при 10%.

Схема IRS25401 не накладывает такого ограничения, т.к. время включения и выключения можно варьировать независимо, поэтому скважность можно изменять с минимальным влиянием на частоту.

Недостатком большого разброса частот является то, что значение индуктивности должно быть также сравнительно большим.

Переход от принципа постоянной частоты к переменной опровергает любые доводы о том, что с точки зрения простоты фильтра подход с управлением постоянной частотой может обладать преимуществом электромагнитной совместимости по сравнению с управлением переменной частотой в системе, построенной на основе схемы IRS25401.

Однако серьезным заблуждением может быть предположение о том, что конструкция фильтра схемы с постоянной частотой проще, чем конструкция системы с переменной. Тем не менее, ясно, что в системе, где частота может меняться в зависимости от значения амплитуды, требования к фильтрам должны быть жестче.

На рисунке 4 изображена демонстрационная плата с IRS25401, которая способна питать цепь светодиодов прямым напряжением 17 В с током 1,2 A непосредственно от сети питания с эффективностью свыше 85% и частотой 175 кГц.

Рис. 4. LED-преобразователь IRS25401, демонстрационная плата

Во многих системах также требуется регулировка силы света. Кроме того, в тех применениях, где имеется комбинация светодиодов отдельных основных цветов, можно управлять интенсивностью каждого цвета, чтобы создать любой спектр, необходимый для реализации освещения, световой рекламы и фонового освещения. Система с понижающим регулятором, построенная на базе IRS25401, позволяет реализовать диммирование в полном диапазоне логическим уровнем управляющего сигнала ШИМ. Сигнал ШИМ при сравнительно низкой частоте используется для включения и выключения тока возбуждения светодиодов и путем изменения скважности варьирует интенсивность светоотдачи без изменения цвета.

ШИМ-сигнал управления силой света показан на рисунке 5. Управление генератором высокой частоты с понижающим преобразователем осуществляется в «форсированном режиме» для регулировки среднего значения тока светодиодов. Частота сигнала недостаточна низка, чтобы мерцание стало видимым. Это помогает реализовать простой интерфейс со схемой управления диммированием на базе микроконтроллера.

Рис. 5. Регулировка силы света

Заключение

HBLED позволяют архитекторам, разработчикам и производителям создавать световые эффекты и проектировать светильники, которые до этого было невозможно реализовать, и которые находят применение в театрах, студиях, ночных клубах, ресторанах и других зрелищных учреждениях. С использованием цифрового управления, например, по протоколу DMX512, можно получить вибрирующий и изменяющийся свет, исходящий из разных точек. Независимо от того, сцена это, потолок или стена, размер лампы больше не определяет место источника света. Мир освещения открывается заново вместе с постоянно развивающейся технологией сверхъярких светодиодов.

Ландшафтное и уличное освещение можно также естественно создать с помощью HBLEDs, которые обладают преимуществами по сравнению с лампами накаливания и флуоресцентными лампами, включая продолжительный срок службы, снижение затрат на обслуживание и большую защиту от влаги. В отличие от обычных ламп, внутри светодиодов нет хрупких компонентов, таких как нить накала, которая выходит из строя в случае неосторожного обращения. Преобразователь, построенный на основе схемы IRS25401, идеально подходит для различных применений.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]