Использование DC/DC-конвертеров Vicor в качестве источников постоянного тока для питания светодиодов

Величина тока через отдельный светодиод определяет яркость и оттенок массива светодиодов. Экспоненциальный характер зависимости тока светодиода от напряжения на нем показан на рис. 1. Из-за крутизны ВАХ малое изменение напряжения приведет к большому изменению тока и, соответственно, к значительному изменению яркости и оттенков массива. И если ток превышает допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его быстрой деградации. Поэтому ток необходимо стабилизировать, и наилучшим образом для этого подходят специально разработанные драйверы. Конечно, можно использовать для питания светодиодов обычные импульсные источники питания, но в большинстве своем они предназначены для работы в качестве стабилизаторов напряжения и не обеспечивают должной стабилизации тока. Поэтому в качестве вынужденного компромисса используется стандартный преобразователь AC/DC или DC/DC, формирующий промежуточную шину питания напряжением обычно 5 или 12 В, от которой питаются последующие драйверы, обеспечивающие постоянный ток через светодиоды. Такую архитектуру нельзя признать оптимальным решением, так как в ней из-за наличия промежуточной стадии преобразования происходит дополнительная потеря мощности. Кроме того, велики потери, связанные с протеканием тока большой величины по низковольтной промежуточной шине питания. Следует также учитывать, что необходимым требованием для уличных светильников и светодиодных табло является способность надежно работать в широком интервале температур.

Рис. 1. Типичная вольт-амперная характеристика светодиода на основе нитрида галлия

Благодаря возможности регулировки выходного напряжения в широких пределах — от 10 до 110% от номинального, DC/DC-конвертеры фирмы Vicor с помощью нескольких дополнительных внешних элементов могут быть переведены в режим стабилизации тока. Для этого в схеме ИП должна быть введена петля обратной связи по току, состоящая из низкоомного резистора — датчика тока (R_SHUNT) стабилизатором тока и операционного усилителя, выход которого подключается к выводу модуля SC (TRIM) DC/DC-конвертера, предназначенного для регулировки выходного напряжения. Функциональная схема такого источника на базе DC/DC-конвертеров Vicor показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения DC/DC-конвертера

Дифференциальный усилитель сравнивает опорное напряжение (V_REF) с напряжением на шунте (R_SHUNT) и выдает сигнал рассогласования на вывод SC, предназначенный для регулировки выходного напряжения конвертера, тем самым компенсируется возникающее рассогласование.

Сопротивления R_u, R_d, R_s не позволяют конвертеру выйти за пределы рабочей области. Таким образом, любой DC/DC, у которого есть возможность динамической регулировки выходного напряжения, может быть переведен в режим стабилизации тока.

Наличие у Vicor большой номенклатуры конвертеров с различными входными напряжениями от 12 до 300 В и выходными напряжениями от 1 до 95 В, мощностью до 500 Вт на 1 корпус дает возможность сконструировать ИП практически любой мощности, малогабаритные, способные работать в температурном диапазоне –40…+85 ^oС. Для того, чтобы сделать источник с питанием от сети переменного тока 220 В, надо только добавить диодный выпрямитель, фильтрующий конденсатор и использовать конвертеры с входным напряжением 185–400 В (серия V300).

В традиционном DC/DC-преобразователе функции стабилизации и трансформации напряжения объединены в одном устройстве, что в ряде случаев ограничивает возможность оптимизации системы питания. Недавно компанией Vicor была предложена концепция построения ИП — Factorized Power Arhitecture (FPA), в рамках которой предлагается разделить функции, выполняемые традиционным DC/DC-конвертером, на два отдельных модуля: предварительного стабилизатора напряжения (PRM) и трансформатора-усилителя постоянного тока (VTM). Модули объединены в семейство VIChip. Импульсный стабилизатор PRM и DC/DC-трансформатор VTM по отдельности реализуют дискретные функции конвертера. У них отсутствуют обратные связи с выхода на вход, поэтому они имеют высокое быстродействие, высокую плотность мощности и универсальны в применении. Модули VIChip имеют некоторые существенные преимущества перед традиционными конвертерами: малогабаритность (32,5.22.6,6 мм) при конвертируемой мощности порядка нескольких сотен ватт, высокий КПД (около 95%), низкий уровень шумов. Эти свойства делают их незаменимыми, например, для питания различного рода подсветок, в габаритных дисплеях и тонких светодиодных панелях (экранах).

Функционально модуль PRM является импульсным неизолированным стабилизатором с входным напряжением 18–60 или 36–75 В и выходным стабилизированным напряжением, которое можно выставлять в диапазоне 26–55 В; модули VTM и BCM — нестабилизированные трансформаторы постоянного тока. Они преобразуют входной ток в выходной согласно соотношению:

I_OUT = I_in/K

или в единицах напряжения:

U_вых = KU_вх,

где К — коэффициент трансформации, величина которого может быть выбрана в диапазоне от 1 до 1/32.

Разделение функций DC/DC-конвертера в архитектуре FPA предоставляет возможность более гибко проектировать систему питания и, тем самым, увеличивать ее общую эффективность. Подробнее с функциями, возможностями и принципами работы модулей VIChip можно ознакомиться в [1].

Импульсный стабилизатор PRM и трансформатор VTM, хотя и были первоначально разработаны для обеспечения стабилизированного напряжения от нерегулируемого входа, способны обеспечить стабильный контролируемый постоянный ток, подстраиваемый с помощью цепи обратной связи. Функциональная схема такой системы показана на рис. 3. В таком источнике входной ток VTM может быть измерен с помощью шунта и использован для стабилизации выходного тока. Так как токовый сенсор находится на входе VTM, контроль осуществляется на шине с более низким значением тока (и более высоким напряжением), чем у нагрузки. Через шунт течет сравнительно небольшой ток, соответственно выделяемая мощность мала. Тем самым улучшается эффективность работы всей системы. Модули VIСhip имеют высокий КПД (>92%), вся система питания получается малогабаритной, при этом не требуется применение радиаторов и принудительное охлаждение и, как следствие, увеличивается удельная плотность мощности системы. Полное описание и расчет элементов для разработки данной системы приведены в [2].

Рис. 3. Функциональная схема источника постоянного тока, построенного с помощью модулей VIСhip

Универсальность факторизованной архитектуры (FPA) позволяет одному стабилизатору PRM управлять модулями VTM с различными коэффициентами трансформации, чтобы питать светодиоды разных цветов, рабочее напряжение которых может лежать в диапазоне 0,8–55 В, например, 6 В для синего LED, 14 В — для желтого и 24 В — для зеленого. Хотя эти параметры могут несколько различаться и зависят от производителя, а точнее — от его технологии и материалов (рис. 4). Большинством LED может управлять пара PRM–VTM, как с включенной обратной связью, так и без нее. Естественно, во втором случае стабильность тока будет меньше, т. к. каждый из двух модулей будет контролировать сам себя за счет встроенных цепей обратной связи, без общего управления. Стабилизатор PRM имеет встроенную схему контроля внутреннего напряжения для точной стабилизации выходного напряжения. Внешняя цепь управления предназначена для совместной работы с управляющим контуром внутреннего напряжения, для точной регулировки и стабилизации выходного напряжения PRM, которым регулируется выходной ток VTM. Упрощенная блок-схема контура контроля внутреннего напряжения PRM показана на рис. 5. Напряжение на выводе SC может быть изменено при добавлении внешнего резистора или приложением внешнего напряжения.

Рис. 4. Источник для питания светодиодов разных цветов

Рис. 5. Функциональная схема контура контроля внутреннего напряжения PRM

Управление током происходит за счет изменения выходного напряжения PRM, которое в свою очередь определяется напряжением на выводе SC. Выражение (2) определяет напряжение на выходе стабилизатора как функцию от V_SC и R_OS. Из уравнения видно, что для выбранного R_OS, V_SC будет определять выходное напряжение PRM.

PRM_V_out = (0,961 x V_SC x (R₆₈+R_OS))/R_OS, (2)

где: V_SC — напряжение на выводе SC; R_OS — сопротивление между выводами OS и SG стабилизатора PRM; R₆₈ — внутренний резистор.

Рис. 6. Схема стабилизатора тока на модулях PRM–VTM

Рекомендуемая цепь управления током для модулей PRM–VTM показана на рис. 6. Поскольку датчик тока находится на первичной стороне, уменьшаются потери мощности I2R во внешнем шунте и нет необходимости делать гальваническую развязку цепи сигнала обратной связи.

Контроль тока осуществляется на выходе PRM. Схема состоит из шунта, источника опорного напряжения, дифференциального усилителя и усилителя ошибки. Опорное напряжение V_REF генерируется прецизионным регулируемым стабилитроном и подается на неинвертирующий вход усилителя ошибки, выход которого (V_EAO) через резисторы R7 и R8 подключается к выводу SC PRM. С помощью R7 и R8 осуществляется установка начальной рабочей точки PRM. Выходное напряжение PRM корректируется, пока VSENSE не будет равен опорному напряжению V_REF. Таким образом, его выходной ток будет определяться V_REF. Стабильность тока при этом достигает 99,7% непосредственно у стабилизатора PRM и до 98,7% на выходе трансформатора VTM (рис. 7). Удачным примером использования модулей VIChip в качестве токового стабилизатора является их применение для светодиодной подсветки в LCD большого размера. Традиционно для достижения однородного белого света в дисплеях используют CCFL (cold cathode fluorescent lamps — флуоресцентные лампы с холодным катодом). Используя для подсветки светодиоды, удается достичь лучших показателей по спектральному составу света, габаритам устройства, механической жесткости, надежности. Улучшается светоотдача, расширяется диапазон цветов и яркости дисплея. В настоящее время дисплеи на жидких кристаллах с подсветкой CCFL могут воспроизводить только 70–80% цветов NTSC, в то время как более новые дисплеи с LEDподсветкой будут генерировать все цвета стандарта NTSC плюс дополнительные цвета. К тому же интенсивность светодиодной подсветки можно регулировать не за счет снижения напряжения питания, а ШИМ, для чего используется специальный драйвер, в который может быть встроен и источник питания с конвертором, и контроллер управления RGB. То есть на светодиод подается импульсный ток с частотой в сотни тысяч герц, с изменяемой скважностью. Таким образом, яркостью светодиода можно управлять, при этом благодаря импульсному питанию увеличивается срок его службы, т. к. в отсутствие импульса кристалл успевает отдать тепло. При замене в дисплеях небольшого размера (19″) боковой подсветки CCFL на трехцветную светодиодную изменяется, как правило, только источник света; кожух, световод и оптические пленки остаются неизменными. Для большого жидкокристаллического экрана (≥20″), где требуется большая яркость подсветки, матрица LED устанавливается непосредственно позади печатной платы LCD для гарантии однородности подсветки под специальным диффузором.

Рис. 7. Точность стабилизации источника тока PRM–VTM

Сейчас для подсветки используют белые светодиодные панели высокой яркости, требующие источников питания 4 В, 200 Вт в компактном корпусе. Эти светодиодные панели разработаны по инновационной технологии с высоким динамическим диапазоном (High Dynamic Range — HDR). Данная технология позволяет создавать в десять раз более яркие дисплеи, чем обычные LCD, и для корректировки яркости LED использует алгоритм преобразования видео. Каждый LED в подсветке индивидуально адресуется. Таким образом, световые уровни могут быть изменены динамически кадр за кадром и в определенной микрообласти. Также HDR позволяет дисплеям работать с большей скоростью переключения цвета. В настоящее время указанная технология применяется в широкоформатных дисплеях высокой четкости на 46″ и 37″ с быстрым отображением динамически меняющегося изображения.

Для питания новых светодиодных подсветок требуется малогабаритный 4 В источник питания мощностью 200 Вт. Оптимальным вариантом в этом случае может быть использование VIChip-модуля BCM (шинный преобразователь). Преобразователь BCM размером 32,5q22q6,6 мм и весом 15 г обеспечивает изоляцию и понижение напряжения до напряжения питания токовых стабилизаторов — LED- драйверов ICs. Благодаря высокому быстродействию BCM отпадает необходимость использования буферных конденсаторов большой емкости.

Распределение питания в такой системе осуществляется по 48 В шине при значительно более низких значениях тока, а непосредственно у самой нагрузки это напряжение понижается до 4 В с большим током (рис. 8).

Рис. 8. Использование BCM с входным напряжением 48 В для питания белого светодиода с драйвером

Как правило, при питании светодиодной подсветки для микросхем драйвера LED требуется подстраиваемое в небольших пределах входное напряжение. Поскольку модуль BCM — нестабилизированный преобразователь, появляется возможность за счет изменения входного напряжения получить требуемое выходное напряжение, обычно составляющее 4,1–4,2 В.

Для упрощения задачи разработки ИП для светодиодных приложений с использованием модулей VIChip фирмой Vicor разработана отладочная плата — evaluation board constant current PRM [3]. Плата может оказаться полезной на этапе разработки новых устройств, т. к. модули VIChip являются новыми продуктами, и для их успешного функционирования требуется соблюсти определенные требования по разводке печатной платы, пайке модуля и т. п. Отладочная плата содержит модуль PRM и базовую схему, описанную в данной статье; имеется возможность устанапряжения VIChip PRM навливать выходное напряжение и ток, также есть разъем для подсоединения VTM для установки требуемых значений выходного тока и напряжения на нагрузке.

Рис. 9. Отладочная плата источника постоянного тока на стабилизаторе

Плата обеспечивает стабилизированный регулируемый ток, как того требуют светодиодные приложения мощностью до 240 Вт (5 А при 48 В), если используется только модуль PRM, или ток до 100 А в комбинации с модулями VTM.

Литература

1. Белотуров В., Кривченко И. Модули VIChip корпорации Vicor — новый взгляд на конструирование систем вторичного электропитания. // Компоненты и технологии. 2009. № № 3, 5.
2. Providing a Constant Current for Powering LEDs using the PRM and VTM. http://cdn.vicorpower.com/documents/application_notes/vichip_appnote18.pdf
3. Constant Current (CC) Demonstration BoaR_d. http://cdn.vicorpower.com/documents/design_guides/ds_ConstantCurrentUG.pdf

<!—

Скачать статью в формате pdf —>