Построение обратноходового светодиодного драйвера на контроллере IRS2983S от International Rectifier

№ 3(29)’2014
PDF версия
Создание и изготовление высокопроизводительных и экономичных драйверов питания СИД является весьма важной задачей. Для ее быстрого и эффективного решения компания International Rectifier предлагает использовать контроллер обратноходового преобразователя IRS2983S, обеспечивающий все необходимые механизмы защиты и позволяющий организовать стабильное питание фиксированной светодиодной нагрузки без применения сложных и дорогостоящих изолированных цепей обратной связи.

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.

Упрощенная схема ОХП для питания линейки СИД

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 ТрОХП имеет три обмотки: обмотка намагничивания Wнам, нагрузочная обмотка Wнагр и многоцелевая вспомогательная обмотка Wвсп. На интервале времени, называемом «прямым ходом», когда СТК подключает обмотку Wнам к выпрямленному сетевому напряжению (к конденсатору Сф.вх.), ток в этой обмотке нарастает, и в дросселе запасается энергия магнитного поля. В это время диод Дн закрыт, а нагрузка питается от конденсатора Cф.н.. При запирании СТК ток в обмотке Wнам прерывается и запасенная магнитная энергия наводит в обмотке Wнагрток, протекающий через диод Дн, подзаряжая Cф.н. и питая нагрузку — линейку СИД. Этот процесс называется «обратным ходом». После полного исчерпания энергии дросселя (снижения тока в обмотке Wнагр до нуля) СТК снова включается, и процессы повторяются. Изменения во времени магнитного потока в сердечнике Ф, токов в обмотке Wнам (Iнам) и обмотке Wнагр (Iнагр) схематично представлены на рис. 2 [2].

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

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 ТОХП. На рис. 3 в упрощенном виде показаны характерные напряжения в ОХП, работающем в ГНР[2]: напряжение управления СТК UЗИ, напряжение между силовыми электродами СТК UСИ, напряжения на вспомогательной и нагрузочной обмотках (они синфазны и отличаются лишь масштабом, пропорционально числам витков Wвсп и Wнагр).

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

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

На прямом ходе Iнам 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 Iнам становятся очень малыми, ОХП переходит в РПТ, чтобы не допустить чрезмерного роста частоты коммутации fОХП.

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

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 ТрОХП. 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 (RВН1, RВН2, CФ ВН), среднего значения тока, потребляемого ОХП на периоде ТОХП (RДТ, RФТ, CФТ), мгновенной потребляемой ОХП мощности, а также интегрирующий регулятор потребляемой мощности (СК). 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 RПОДСТ.

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 (RПИТ, VDПИТ, VDОГР ПИТ, CФ ПИТ), подключенного к вспомогательной обмотке. Еще одна функция обмотки Wвсп — обеспечение работы ОХП в ГНР. Для этого она через делитель RКР1 и RКР2 подключена к выводу ZX контроллера. Окончание обратного хода выявляется по смене полярности напряжения на Wвсп (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 Wнам, в частности, при насыщении дросселя и других возможных неисправностях. Порог срабатывания этой защиты составляет 1,25 В и определяется по падению напряжения на резисторе RДТ.

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

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. CФ ВХ представляет собой пленочный конденсатор небольшой емкости (десятки нанофарад) и служит только для фильтрации импульсного тока, потребляемого преобразователем. Выходной накопительный конденсатор СН 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 (VDОГР, СОГР, RРАЗ ОГР) служит для обеспечения надежной работы СТК, а ее параметры определяются индуктивностью рассеивания ТрОХП (обмотки Wнам относительно Wнагр).

Диаграмма состояний контроллера IRS2983S

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 CФ ПИТ через подсистему динамического самопитания. Пока напряжение на нем не достигнет порога включения Uпор. вкл, контроллер работает в режиме UVLO — недостаточного напряжения питания микросхемы. При этом большинство блоков в ней выключено, СТК не работает, конденсатор СК в составе интегрирующего регулятора мощности разряжен, а ток собственного потребления минимальный. При достижении напряжением питания микросхемы Uпит.имс величины Uпор. вкл, ОХП начинает набор мощности. По мере заряда большой емкости СН 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 tWD = 100 мкс и разряду конденсатора СК. 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 Вэфф) [2]. Эти материалы позволяют быстро и с малыми затратами адаптировать ОХП под требования конкретного разработчика.

 

Заключение

Создание и изготовление высокопроизводительных и экономичных драйверов питания СИД является весьма важной задачей. Для ее быстрого и эффективного решения компания International Rectifier предлагает использовать контроллер обратноходового преобразователя IRS2983S, обеспечивающий все необходимые механизмы защиты и позволяющий организовать стабильное питание фиксированной светодиодной нагрузки без применения сложных и дорогостоящих изолированных цепей обратной связи.

Литература
  1. Коротков С., Лукин А. Источники питания для светодиодного освещения
  2. Bakalakos E. Primary side regulated LED driver using the IRS2983S/International Rectifier//Application Notes AN-1195. 30.01.2014.
  3. LED flyback control IC/International Rectifier// Data Sheet IRS2983SPBF. 29.01.2014.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.