ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СВЕТОДИОДНОГО ДРАЙВЕРА НА МИКРОСХЕМАХ СЕРИИ ALTAIR
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
драйверы светодиодов
материал на сайте: 40.52
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ Станислав Косенко,
заслуженный
рационализатор РФ
СВЕТОДИОДНОГО ДРАЙВЕРА Тигран Гайказьян,
департамент
активных
НА МИКРОСХЕМАХ СЕРИИ ALTAIR компонентов
PT Electronics
st@ptelectronics.ru
Проектируем LED-драйвер с помощью
микросхем Altair компании STMicroelectronics
Рис. 1. Принципиальная схема светодиодного драйвера
ния светодиода выходное напряжение преобразовате-
Продолжение. Начало в №4 [2011], №1 [2012] ля не превысит 18 В, что обезопасит от разрушения ос-
новные элементы драйвера. Хотя в бюджетном варианте
программа онлайн-проектирования предлагала приме-
Воспользуемся основными сведениями о микросхеме нить наиболее экономичный импульсный трансформатор
HVLED805 и результатами автоматизированного проек- с магнитопроводом типоразмера ЕЕ13, позволяющий полу-
тирования светодиодного драйвера, описанных ранее чить требуемый режим использования светодиода, поль-
в «Вестнике электроники» [1, 2]. По итогам этой рабо- зовательское принудительное увеличение магнитопровода
ты на рис. 1 представлена принципиальная схема устрой- благоприятно отразилось на энергетических возможно-
ства, рассчитанная для питания 11-ваттного светодиода стях устройства.
SPHWWTHDD805WHWODD фирмы Samsung в режиме
использования 8 Вт, как это позволяет сделать програм- Увеличение мощности светодиодного драйвера
ма автоматизированного проектирования eDesignStudio.
В соответствии с паспортными данными прямой ток све- Как можно видеть из соответствующей конструктивной
тодиода при этом должен соответствовать 0,46 А, и пря- сноски для импульсного трансформатора (рис. 1) на основе
мое напряжение — 17,6 В. магнитопровода ЕЕ16, его первичная обмотка должна содер-
жать 100 витков обмоточного провода диаметром 0,2 мм,
Напомним, что рабочий интервал сетевого напряжения вторичная обмотка — 16 витков из сдвоенного литцендра-
в драйвере составляет 176…264 В. В случае поврежде- та по 20 проводников диаметром 0,07 мм, обмотка связи
2
— 14 витков провода диаметром не менее 0,024 мм. При
этом индуктивность первичной обмотки составляет 2 мГн,
а индуктивность рассеяния — 60 мкГн. Рекомендуемый не-
магнитный зазор на центральном керне магнитопровода,
определяющий индуктивные параметры трансформато-
ра, ориентировочно соответствует 0,1 мм, а максималь-
ное значение магнитной индукции — 0,319 Тл. Учитывая
значение индукции насыщения 0,39…0,45 Тл для наибо-
лее распространенных ферритов (3C85, N27 и др.), можно
предположить достаточный запас для увеличения рабоче-
го тока светодиода от исходного значения 0,45 А. В част-
ности, программа определила (рис. 1), что при указанных
намоточных данных трансформатора и динамическом со-
противлении светодиода 2,8 Ом максимальное выходное
напряжение преобразователя может составить 18,2 В, а
рабочий ток — 0,67 А.
Разумеется, для реализации режима использования свето-
диода, отличающегося от предложенного программой мак-
симального тока 0,45 А, необходимо пересчитать номиналь-
ное сопротивление резисторов, определяющих рабочий
режим преобразователя. Прежде всего, данное соображе-
ние касается выбора резистора — датчика тока.
Заметим, что в апреле 2012 года программа сменила свое
наименование с eDesignStudio на eDesignSuite, одновремен-
но разработчики снизили в программе максимально допу-
стимый ток с 0,45 до 0,38 А, что повлияло на конечные ре-
зультаты проектирования требуемого устройства.
Рис. 2. Монтажный чертеж печатной платы устройства
Сопротивление датчика при увеличении стабилизиру-
емого тока светодиода можно вычислить даже в про-
стейшей офисной программе Exel, по умолчанию уста-
навливаемой на каждом компьютере, воспользовавшись
всплывающей подсказкой при подведении курсора к пик-
тограмме «i» возле элемента Rsence на схеме (рис. 1).
Если подставить в информационно-справочную форму-
лу значения числа витков в первичной и вторичной об-
мотках, расчетное новое значение выходного тока пре-
образователя (например, 0,5 А) и параметр Vcref=0,2 В,
определяющий режим стабилизации тока в светодио-
де, получим новое значение сопротивления резистив-
ного датчика тока в первичной цепи преобразователя
Rsence=1,25 Ом.
Для нормальной работы в микросхеме HVLED805 бло-
ка фиксации размагничивания [1] потребуется пересчитать
определенные программой сопротивления резисторов
верхнего (Rdmg_h) и нижнего (Rdmg_l) плеча делителя им-
пульсного напряжения, поступающего от вспомогательной
обмотки связи импульсного трансформатора к выводу DMG
микросхемы. Применяя изложенные в справочных данных
на микросхему уравнения, получаем их новые значения:
Rdmg_h=29,2 кОм; Rdmg_l=5,5 кОм.
Обратим внимание на неизменность в используемых рас-
четах параметров импульсного трансформатора, опре-
деленных программой. Это позволяет даже при новом
режиме использования светодиода выполнить условие
безопасной эксплуатации драйвера при отсутствии на-
грузки (перегорании светодиода). В этом случае выход-
ное напряжение, как и прежде, не превысит заданные
программой 18 W. Важно лишь убедиться, что с новым
рабочим током не наступит насыщение магнитопрово-
да трансформатора, и пиковое значение тока в коммути-
рующем транзисторе не выйдет за допустимый предел. Рис. 3. Внешний вид устройства
журнал для инженеров и конструкторов 53
Проектирование печатной платы и испы-
тание электрических режимов опытного
образца светодиодного драйвера
Как для любого импульсного устройства, при изготовле-
нии печатной платы светодиодного драйвера на микросхе-
мах серии Altair необходимо соблюдать ряд требований.
В частности, проводники должны иметь ширину, достаточ-
ную для проходящего по ним электрического тока. В целях
снижения электромагнитных излучений, отрицательно влия-
ющих на работу различных высокочувствительных к помехам
электронных устройств, длина сильноточных проводников за
счет оптимального размещения элементов должна быть све-
дена к минимуму. Следует также учитывать, что многоуголь-
ная контактная площадка (полигон), соединенная с выводом
стока мощного коммутирующего транзистора в микросхе-
ме (DRAIN), является дополнительным теплоотводом, поэ-
тому размеры полигона должны обеспечивать эффективный
отвод тепла. Элементы цепей частотной компенсации во из-
бежание возникновения самовозбуждения преобразовате-
ля должны быть расположены в непосредственной близости
к выводу СОМР. С этой же целью печатный проводник, со-
ответствующий общему проводу в сигнальной цепи, должен
быть проложен отдельно как от общего провода мощного ис-
точника питания, так и от общего провода в цепи резистив-
ного датчика тока.
Перечисленным выше требованиям удовлетворяет печат-
ная плата устройства, показанная в масштабе 2:1 на рис. 2
(размеры платы — 24х60 мм). Она выполнена из односто-
ронне фольгированного стеклотекстолита. На рисунке сле-
ва показано размещение компонентов для монтажа в от-
верстиях, справа — конфигурация печатных проводников
и размещение элементов для поверхностного монтажа.
Элементы фиксирующей цепи (Dclp, Zclp) соединены в об-
щей точке навесным монтажом. Сетевое напряжение к пла-
те подведено посредством монтажных проводников, под-
паянных к контактным площадкам с надписью «~220 В».
Светодиод с соблюдением полярности подключен к кон-
тактным площадкам, промаркированным как «+Out» и «–
Out». Крепление платы в драйвере выполнено тремя винта-
ми М2. Внешний вид устройства иллюстрирует фото (рис. 3),
где показан опытный образец сетевой светодиодной лам-
пы мощностью 20 Вт, собранной из двух драйверов (каждый
— со своим светодиодом). Оба светодиода смонтированы
винтовым соединением (по три винта М2) на общем тепло-
отводе с применением теплопроводящей пасты КПТ-8.
По сравнению со схемой (рис. 1) в конструкцию платы вне-
сены некоторые изменения. С целью повышения надежно-
сти функционирования устройства при повышенном сете-
вом напряжении токоограничивающий резистор R1 11 Ом
заменен последовательно включенными плавкой вставкой
Fu1 (1 A) и терморезистором SCK103. Вместо одного вы-
ходного оксидного конденсатора Cout применены два ана-
логичных, что способствует уменьшению пульсаций выпрям-
ленного напряжения и тока в светодиоде. Выполненные
изменения подтвердили верность конструктивных расче-
тов на стадии проектирования и благоприятно сказались на
электрических режимах светодиодного драйвера, что под-
тверждается показанными на рис. 4 и рис. 5 осциллограмма-
ми основных импульсных сигналов в устройстве.
Осциллограммы импульсных сигналов в преобразователе
в его первичной и вторичной цепях относительно общего
Рис. 4. Осциллограммы тока первичной обмотки и импульсного
провода питания снимались цифровым осциллографом, а за-
напряжения на вторичной обмотке трансформатора
тем как скриншоты сохранялись в графическом формате на
2
компьютере по USB-интерфейсу. При измерениях использо-
вался один измерительный канал, обозначенный на рисунке
как СH1. Рядом с наименованием канала на каждой осцил-
лограмме приведена его чувствительность — цена одного
большого деления по вертикали. Индексом М на каждом ри-
сунке обозначена цена деления по горизонтали, характе-
ризующая длительность временной развертки. Курсорами
на левой границе рисунка обозначен нулевой уровень сигна-
ла, на правой — уровень синхронизации изображения сиг-
нала с его абсолютным значением, на верхней — положение
метки синхронизации на временной развертке. В нижней
строке текстового сообщения на рисунке приведены время
и дата проведения измерений, а также частота исследуемо-
го импульсного сигнала.
В процессе испытаний прежде всего был проверен рабо-
чий режим использования светодиода. При необходимости
в незначительных пределах рабочий ток светодиода может
быть скорректирован подбором одного из SMD–резисто-
ров, образующих датчик тока Rsence (рис. 2). После умень-
шения сопротивления датчика тока с 1,25 до 1 Ом драйвер
обеспечивал рабочий ток светодиода 0,52 А и прямое напря-
жение на нем 18 В, что полностью соответствует паспорт-
ным данным светодиода SPHWWTHDD805WHWODD
(ссылка [2] в литературном источнике [2]). Затем с помо-
щью лабораторного автотрансформатора была исследована
реакция драйвера на изменение сетевого напряжения. Рис.
4а соответствует сетевому напряжению 176 В, рис. 4б —
220 В, рис. 4в — 254 В (дальнейшее повышение сетевого на-
пряжения лабораторный автотрансформатор не обеспечи-
вал). При этом частота преобразования в обратноходовом
преобразователе увеличивается примерно от 100 до 115
кГц, что хорошо согласуется с расчетными данными [2]. Так-
же в соответствии с рис. 2 [1] время включенного состояния
коммутирующего транзистора в преобразователе снижает-
ся примерно с 3 до 2 мкс, а рабочий ток светодиода и ампли-
тудное (пиковое) значение выходного импульсного напря-
жения остается стабильным и составляет примерно 20 В.
Поскольку рабочий ток светодиода, рассчитанный про-
граммой, составлял 0,45 А, а после корректирования режи-
ма возрос до 0,52 А, имеет смысл после первого включе-
ния драйвера проконтролировать пиковое значение тока
коммутирующего транзистора на первичной стороне пре-
образователя в используемом рабочем режиме светоди-
ода. Такая задача не составляет особого труда благодаря
внешнему по отношению к микросхеме размещению рези-
стивного датчика тока — резистора Rsence (рис. 1). Осцил-
лограмма импульсного напряжения на выводах 1,2 микро-
схемы (SOURCE) относительно общего провода питания
на первичной стороне представлена на рис. 4г. Во избе-
жание повреждения цифрового осциллографа из–за на-
личия гальванической связи измеряемой цепи с питающей
сетью подключение драйвера должно быть выполнено че-
рез развязывающий трансформатор 220/220 В. Учитывая
сопротивление датчика тока и чувствительность осцилло-
графа по вертикальному каналу 0,1 В на деление, получаем:
Vpeak=0,1•2,8=0,28 В; Ipeak=Vpeak/Rsence=0,28/1=0,28 А.
Такое измерение хорошо согласуется с промоделирован-
ным программой значением данного параметра (303 мА на
рис. 4 в [2]), и абсолютная линейность пилообразных им-
пульсов тока подтверждает отсутствие захода индукции
магнитопровода в область магнитного насыщения.
После контроля рабочего режима светодиода было прове-
рено функционирование драйвера с динамической нагрузкой, Рис. 5. Осциллограммы выходного импульсного напряжения
в том числе в режиме короткого замыкания и полного отклю- светодиодного драйвера с динамической нагрузкой
журнал для инженеров и конструкторов 55
чения (обрыва) нагрузочной цепи. Результаты такого испыта- Испытание светодиодной лампы
ния полностью совпали с теорией [1]. На рис. 4д показана фор- Как упоминалось ранее, в испытательных целях на базе спро-
ма импульсного выходного напряжения с током нагрузки 0,2 А, ектированных и изготовленных образцов двух светодиодных
когда преобразователь работает в режиме пропуска одной драйверов была изготовлена экспериментальная светодиод-
впадины, а частота преобразования составляет 132 кГц. При ная лампа мощностью 20 Вт, показанная на рис. 3. Такое ре-
увеличении тока нагрузки до 0,4 А (рис. 5а) коммутация преоб- шение было продиктовано, во-первых, отсутствием в широкой
разователя происходит на первой впадине, и рабочая частота продаже подобных аналогов, и во-вторых, необходимостью
испытывает незначительный скачок, увеличиваясь до 140 кГц. сравнения электрооптических параметров устройства с лам-
С дальнейшим увеличением тока нагрузки до 0,53 А (рис. 5б) пой накаливания 150 Вт.
частота снижается до 105 кГц, что примерно соответствует
основному рабочему режиму. В режиме короткого замыкания За основу конструкции был выбран теплоотвод компью-
нагрузки (рис. 5в) выходное напряжение отсутствует, и преоб- терного процессора размерами 60х78х42 мм, содержащий
разователь функционирует с частотой 13,5 кГц короткими ком- 21 плоское охлаждающее ребро 34х78 мм. На боковых по-
мутирующими импульсами длительностью чуть менее 2 мкс, верхностях теплоотвода (см. рисунок) с каждой стороны
показанными на рис. 5г. В отсутствие нагрузки преобразова- установлены драйверы, а на лицевой стороне закреплены
тель поддерживает на выходе заданное напряжение пример- светодиоды SPHWWTHDD805WHWODD теплого бело-
но 20 В, генерируя с частотой 2,17 кГц короткие пачки комму- го свечения (2700 K). В такой конструкции температура
тирующих импульсов, представленные на рис. 5д. корпуса теплоотвода вблизи светодиода в установившемся
режиме не превышает 62 ОС. Если учесть тепловое сопро-
Измеренное значение КПД преобразователя при сетевом тивление перехода кристалл–корпус, равное 2,24 /Вт, мож-
напряжении 220 В составило 82 %. Понятно, что вся непро- но заключить, что температура кристалла достигает 82 ОС,
дуктивно расходуемая мощность преобразуется в тепло, вы- и это при максимально допустимых 150 ОС вполне прием-
деляемое различными силовыми компонентами — транс- лемо с точки зрения обеспечения долговечности прибора.
форматором, коммутирующим транзистором в микросхеме, Для подключения к электрическому патрону с напряжением
фиксирующей цепью на первичной обмотке трансформато- 220 В с тыльной стороны, противоположной размещению
ра, выпрямительными диодами и пр. Поэтому были опасения светодиодов, к теплоотводу привинчен цоколь от сгоревшей
чрезмерного разогрева корпуса микросхемы. Но измерения компактной люминесцентной энергосберегающей лампы.
показали, что температура корпуса в установившемся тепло- Как показали измерения, при потребляемой мощности 22 Вт
вом режиме не превышает 54 OС. По-видимому, разработчи- лампа создает световой поток примерно 1800 лм. В то же
ки микросхемы HVLED805 при максимальной преобразуемой время лампа накаливания мощностью 150 Вт, т.е. расходую-
мощности 7 Вт заложили столь основательный резерв надеж- щая в 7 раз больше энергии, создавала поток 1650 лм, по-
ности прибора, что инженер–конструктор при соответству- скольку ее мощность возрастала до паспортного значения
ющем контроле может в допустимой степени ужесточить лишь при напряжении 240 В. Свет, создаваемый светодиод-
режим работы преобразователя, если это фатально не повли- ной лампой, по цветовому оттенку ничем не отличается от
яет на работоспособность проектируемого изделия. Тем не лампы накаливания.
менее, уже в настоящее время STMicroelectronics запускает
в производство другие аналогичные приборы — HVLED510 Конечно, еще 2 года назад создание подобного светотехни-
с преобразуемой мощностью до 10 Вт и HVLED815 — до 15. ческого прибора было невозможно из–за отсутствия исполь-
зованной в проведенной работе элементной базы. Ведь в на-
стоящее время лишь отдельные фирмы, в том числе Samsung,
вышли на рынок со светодиодами, достигающими великолеп-
ной энергоэффективности 120 лм/Вт. Такой параметр харак-
теризует примененную авторами статьи серию светодиодов
холодного белого свечения (5000 К) в режиме использования
11 Вт мощности. Этот же прибор с цветовой температурой
2700 К обладает энергоэффективностью несколько меньшего
значения — 93 лм/Вт в режиме использования 9 Вт мощности,
зато излучаемый свет ничем не отличается от создаваемого
лампой накаливания. Фото опытного образца светодиодной
лампы на рис. 6, выполненное в полной темноте, иллюстриру-
ет как достаточно сильный создаваемый световой поток, так
и высокий индекс цветопередачи.
Несомненно, перед светодиодными источниками света —
великолепное будущее, и этому всемерно способствуют спе-
циалисты STMicroelectronics, создавая и постоянно улучшая
серию LED-драйверов с именем загадочной звезды Альтаир.
Литература:
1. Косенко С., Емельянов Ю. «Альтаир» — новая звезда в созвездии
Рис. 6. Иллюстрация яркости свечения и LED-драйверов STMicroelectronics. — Вестник электроники. № 4,
цветопередачи света в светодиодной лампе 2011, с. 34–39.
2. Косенко С., Емельянов Ю. Автоматизированное проектирование
светодиодного драйвера на микросхемах серии Altair. — Вестник
электроники. № 1, 2012, с. 38–44.
2
Вы также можете почитать
