Построение обратноходового светодиодного драйвера на контроллере IRS2983S от International Rectifier

Cреди различных искусственных источников света по совокупности характеристик экономичности, долговечности, экологическим свойствам наиболее предпочтительными являются светильники на основе светодиодов [1]. Светодиодное освещение — это одна из наиболее динамично развивающихся областей техники. Постоянно улучшаются технические параметры, надежность, снижаются цены и увеличиваются объемы производства и применения источников света на основе светоизлучающих диодов (СИД). Это достигается в том числе благодаря совершенствованию источников электропитания СИД, которые, с учетом специфики применения, должны удовлетворять определенным требованиям как по качеству входного тока, так и по выходным характеристикам [1]. Общими требованиями к подобным источникам питания, называемым также драйверами, являются минимальная себестоимость, соответствие действующим стандартам по электробезопасности, электромагнитной совместимости и энергосбережению, приемлемый уровень надежности и наличие адекватных защит при аномальных внешних воздействиях. Зачастую важными дополнительными условиями становятся работоспособность в широком диапазоне температур и малые габариты. В большинстве случаев оптимальное сочетание технических и экономических характеристик таких источников питания для построения светодиодных светильников с потребляемой мощностью до 100 Вт обеспечивается топологией flyback (обратноходовой преобразователь — ОХП) [1]. Она привлекательна удобной регулировочной характеристикой и возможностью обойтись применением единственного моточного компонента — многообмоточного дросселя, называемого также трансформатором ОХП, поскольку он обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от питающей сети. ОХП способен приемлемо работать в очень широком диапазоне изменения входного и выходного напряжений. В частности, может быть использован для создания однокаскадного активного корректора коэффициента мощности (ККМ), при создании естественной стойкости к режиму КЗ на выходе. Относительно более жесткие условия эксплуатации силовых компонентов, повышенный уровень собственных потерь и генерируемых помех, характерные для ОХП по сравнению с альтернативными топологиями импульсных преобразователей, не имеют большого значения при мощностях до нескольких десятков ватт.

Особенно привлекательно применение ОХП, система управления которого принудительно поддерживает работу в гранично-непрерывном режиме (ГНР). Это обеспечивает эффективное ограничение среднего тока нагрузки при перегрузке или КЗ на выходе, мягкое обратное восстановление выпрямительного диода в цепи нагрузки (следовательно, происходит радикальное уменьшение высокочастотных помех и значительное снижение коммутационных потерь, возможность применения недорогих диодов с умеренной скоростью обратного восстановления и малым прямым падением напряжения), дополнительное снижение потерь включения силового транзисторного ключа (СТК) благодаря синхронизации моментов его коммутации с минимумами напряжения на нем, удобство построения одностадийного ККМ (достаточно работать с постоянным временем проводимости СТК, чтобы средний ток, потребляемый ОХП из питающей сети, довольно точно следовал за напряжением сети, то есть естественным образом получается высокий коэффициент мощности) [1]. В целом, ОХП в режиме ГНР имеет ощутимо лучшее использование силовых компонентов по сравнению с вариантом ОХП, действующим на фиксированной частоте в режиме прерывистого тока (РПТ) — для обеспечения должных запасов от попадания в режим непрерывного тока при максимальной нагрузке и минимальных питающем и выходном напряжениях.

Рис. 1. Упрощенная схема ОХП для питания линейки СИД

Упрощенная электрическая схема ОХП, работающего в качестве драйвера линейки СИД, показана на рис. 1 [2]. Многообмоточный дроссель Тр_ОХП имеет три обмотки: обмотка намагничивания W_нам, нагрузочная обмотка W_нагр и многоцелевая вспомогательная обмотка W_всп. На интервале времени, называемом «прямым ходом», когда СТК подключает обмотку W_нам к выпрямленному сетевому напряжению (к конденсатору С_ф.вх.), ток в этой обмотке нарастает, и в дросселе запасается энергия магнитного поля. В это время диод Д_н закрыт, а нагрузка питается от конденсатора C_ф.н.. При запирании СТК ток в обмотке W_нам прерывается и запасенная магнитная энергия наводит в обмотке W_нагрток, протекающий через диод Д_н, подзаряжая C_ф.н. и питая нагрузку — линейку СИД. Этот процесс называется «обратным ходом». После полного исчерпания энергии дросселя (снижения тока в обмотке W_нагр до нуля) СТК снова включается, и процессы повторяются. Изменения во времени магнитного потока в сердечнике Ф, токов в обмотке W_нам (I_нам) и обмотке W_нагр (I_нагр) схематично представлены на рис. 2 [2].

Рис. 2. Идеализированные осциллограммы магнитного потока в сердечнике трансформатора ОХП и токов в его намагничивающей и нагрузочной обмотках (в режиме ГНР)

Процессы повторяются с периодом Т_ОХП. На рис. 3 в упрощенном виде показаны характерные напряжения в ОХП, работающем в ГНР[2]: напряжение управления СТК U_ЗИ, напряжение между силовыми электродами СТК U_СИ, напряжения на вспомогательной и нагрузочной обмотках (они синфазны и отличаются лишь масштабом, пропорционально числам витков W_всп и W_нагр).

Рис. 3. Идеализированные осциллограммы напряжений в цепи управления силовой цепи СТК, а также на вспомогательной и нагрузочной обмотках трансформатора ОХП

На прямом ходе I_нам нарастает приблизительно линейно, со скоростью, пропорциональной входному напряжению. Если ОХП работает с постоянной длительностью прямого хода, амплитуда тока намагничивания повторяет входное напряжение, а средний потребляемый из сети ток не сильно отличается от синусоиды, даже если не принимать специальных мер, характерных для полноценных активных ККМ [1]. На рис. 4 показаны соответствующие упрощенные осциллограммы [2]. Следует иметь в виду, что вблизи переходов сетевого напряжения через ноль, когда входное напряжение и амплитуда тока I_нам становятся очень малыми, ОХП переходит в РПТ, чтобы не допустить чрезмерного роста частоты коммутации f_ОХП.

Рис. 4. Изменения тока намагничивания трансформатора ОХП и тока, потребляемого из сети, на периоде сетевого переменного напряжения

Специально для эффективной и экономичной реализации драйвера линейки СИД в виде ОХП, работающего в ГНР, International Rectifier разработала ИМС контроллера IRS2983S [3], обеспечивающего все необходимые функции управления, защиты и организации питания. Типовая схема решения (без входного помехоподавляющего фильтра) показана на рис. 5 [2]. Контроллер реализует функцию стабилизации параметров нагрузки — светового потока, генерируемого СИД, без использования какой-либо информации на вторичной стороне Тр_ОХП. Это упрощает и удешевляет ОХП, а также улучшает его электробезопасность. Идея состоит в том, чтобы стабилизировать среднюю мощность, подводимую к линейке СИД. С учетом достаточно малого динамического сопротивления СИД это одновременно стабилизирует ток нагрузки без необходимости его непосредственного измерения. Стабилизация величины мощности, подаваемой на линейку СИД, наиболее адекватно способствует постоянству их светового потока, в том числе с учетом разброса характеристик отдельных приборов и изменения внешних условий [2]. Чтобы реализовать данную задачу, контроллер IRS2983S имеет в своем составе блоки для вычисления текущей величины высокого напряжения питания (R_ВН1, R_ВН2, C_{Ф ВН}), среднего значения тока, потребляемого ОХП на периоде Т_ОХП (R_ДТ, R_ФТ, C_ФТ), мгновенной потребляемой ОХП мощности, а также интегрирующий регулятор потребляемой мощности (С_К). При должном выборе компонентов делителя высокого напряжения, датчика тока СТК, цепей фильтрации и компенсации, средняя потребляемая ОХП мощность стабилизируется на заданном уровне, а выходная мощность пропорциональна ей с учетом примерно постоянной величины КПД ОХП. Точную подгонку независимости выходной мощности, подаваемой на нагрузку (линейку СИД) от входного напряжения, осуществляют сопротивлением R_ПОДСТ.

Важную роль в достижении высокой экономичности и малой стоимости решения играет интегрированная функция динамического самопитания контроллера от высокого напряжения (вывод HV на рис. 5) и его малое собственное потребление: 150 мкА в режиме UVLO (Under Voltage LockOut — защита от падения напряжения управления) и 2,5 мА — при штатной работе. Таким образом, устраняется необходимость в неэкономичной внешней цепи запуска, а время готовности ОХП к работе после подачи питания сокращается до приемлемого уровня — 0,5 с до момента зажигания светильника [3]. В штатном режиме контроллер получает питание от выпрямителя (R_ПИТ, VD_ПИТ, VD_{ОГР ПИТ}, C_{Ф ПИТ}), подключенного к вспомогательной обмотке. Еще одна функция обмотки W_всп — обеспечение работы ОХП в ГНР. Для этого она через делитель R_КР1 и R_КР2 подключена к выводу ZX контроллера. Окончание обратного хода выявляется по смене полярности напряжения на W_всп (рис. 3). Одновременно реализуется и функция защиты ОХП от опасного повышения выходного напряжения, например в случае обрыва нагрузки. Рекомендуется устанавливать порог срабатывания этой защиты примерно на 25% выше номинального уровня [2]. Вход CS контроллера, помимо обеспечения информации о среднем токе, потребляемом ОХП, служит для защиты СТК от опасного повышения мгновенного тока в обмотке W_нам, в частности, при насыщении дросселя и других возможных неисправностях. Порог срабатывания этой защиты составляет 1,25 В и определяется по падению напряжения на резисторе R_ДТ.

Рис. 5. Типовая электрическая схема ОХП на основе контроллера IRS2983S для питания линейки СИД

Для обеспечения функции активного ККМ, ОХП работает от выпрямленного синусоидального напряжения сети, без применения большого накопительного конденсатора. C_{Ф ВХ} представляет собой пленочный конденсатор небольшой емкости (десятки нанофарад) и служит только для фильтрации импульсного тока, потребляемого преобразователем. Выходной накопительный конденсатор С_Н обеспечивает фильтрацию пульсаций мощности ОХП на удвоенной частоте сети (из-за выполнения функции активного ККМ), поэтому его емкость должна быть достаточно велика, чтобы получить приемлемо малые колебания светового потока СИД [2]. Цепь ограничения максимального напряжения на выключающемся СТК (VD_ОГР, С_ОГР, R_{РАЗ ОГР}) служит для обеспечения надежной работы СТК, а ее параметры определяются индуктивностью рассеивания Тр_ОХП (обмотки W_нам относительно W_нагр).

Рис. 6. Диаграмма состояний контроллера IRS2983S

Диаграмма состояний ОХП — драйвера СИД на основе контроллера IRS2983S показана на рис. 6 [2, 3]. После подачи сетевого питания на схему вначале происходит заряд конденсатора C_{Ф ПИТ} через подсистему динамического самопитания. Пока напряжение на нем не достигнет порога включения U_{пор. вкл}, контроллер работает в режиме UVLO — недостаточного напряжения питания микросхемы. При этом большинство блоков в ней выключено, СТК не работает, конденсатор С_К в составе интегрирующего регулятора мощности разряжен, а ток собственного потребления минимальный. При достижении напряжением питания микросхемы U_{пит.имс} величины U_{пор. вкл}, ОХП начинает набор мощности. По мере заряда большой емкости С_Н происходит подхват питания микросхемы от вспомогательной обмотки. Параллельно идет процесс установления режима работы регулятора мощности, после чего наступает не ограниченный по времени нормальный режим работы драйвера — светильник горит. В случае обнаружения чрезмерного увеличения тока СТК, контроллер переходит в режим токоограничения. После устранения причин, вызвавших перегрузку, происходит возврат в штатный режим: непосредственно или через переходный процесс восстановления режима регулятора мощности. В случае обрыва цепи нагрузки или некоторых других неисправностей напряжение на выходе ОХП значительно возрастает. Это выявляется во время обратного хода и приводит к блокировке работы ОХП на время t_WD = 100 мкс и разряду конденсатора С_К. Контроллер оказывается в режиме перенапряжения на выходе, а из него переходит в состояние UVLO, предпринимая новую попытку выйти в штатный режим работы. Таким образом при опасных неисправностях ОХП, вызывающих перенапряжение на выходе, происходит «икание» драйвера с малым коэффициентом заполнения, что безопасно для компонентов источника питания и нагрузки, как в электрическом, так и в тепловом отношении.

Особенности проектирования драйвера во многом зависят от заданных критериев оптимальности разработки и объемов производства. Инженеры International Rectifier предлагают достаточно подробную процедуру проектирования ОХП для питания линейки СИД на основе IRS2983S [2]. Приводятся расчет основных компонентов схемы, обеспечивающих требуемые функциональные параметры и адекватные уровни защиты, выбор силовых компонентов, типовой расчет многообмоточного дросселя с рекомендациями по выбору типоразмера сердечника в зависимости от мощности драйвера, рассматриваются вопросы фильтрации помех и защиты от перенапряжений в сети питания, вопросы конструирования печатной платы. Также имеется референсный проект драйвера с выходной мощностью около 7 Вт и универсальным входом (активный ККМ, напряжение питающей сети 120–300 В_эфф) [2]. Эти материалы позволяют быстро и с малыми затратами адаптировать ОХП под требования конкретного разработчика.