Понижающий/повышающий драйвер светодиодов с КПД 98%, ШИМ-регулировкой яркости и расширенным спектром преобразования без мерцания

№ 5(43)’2016
PDF версия
Понижающий-повышающий драйвер светодиодов на базе микросхемы LT8391 предназначен для управления мощными светодиодами. Он обеспечивает плавный переход между режимами повышения, понижения и понижающе-повышающим режимом преобразования.

В драйвере объединены два преобразователя (понижающий и повышающий) с четырьмя внешними ключами. Это дает явное преимущество в виде уменьшения размера полного решения и снижения его стоимости, а также высокую эффективность преобразования. В этом высокопроизводительном четырехключевом преобразователе используются тщательно разработанные схемы управления. Например, когда происходит преобразование только повышающее или только понижающее, в этом случае работают два ключа из четырех, что является необходимым условием для достижения максимального КПД. Но как только входное напряжение VIN приближается к значению выходного напряжения VOUT, тогда в работу включаются все четыре ключа. Хорошо продуманные решения в части понижающе-повышающего преобразования обеспечивают плавные переходы между всеми режимами функционирования (повышения и понижения понижающе-повышающим режимом), реализуя в этом случае объединенное управление всеми тремя контурами — двухключевого понижающего преобразователя, двухключевого повышающего и работой всех четырех ключей одновременно.

Запатентованная резистивная токоизмерительная схема управления, примененная в четырехключевом понижающе-повышающем преобразователе, представляет собой простое, но надежное и точное решение, позволяющее микросхеме работать в пиковом токовом режиме во всех режимах преобразования всего лишь с одним общим токоизмерительным резистором. Это решение также позволяет включать микросхему в режим постоянных токов (CCM) при нормальных условиях эксплуатации и полной нагрузке и в режим прерывистых токов (DCM) в условиях малой нагрузки, сохраняя при этом режим токового управления в каждом цикле пикового тока дросселя и предотвращая возникновение обратных токов.

Это новое поколение понижающе-повышающих драйверов светодиодов содержит такие встроенные функции, как возможность расширения спектра посредством частотной модуляции и внутренний ШИМ-генератор для реализации функции димминга (управления яркостью). В рассматриваемой микросхеме драйвера эти две функции работают вместе. Микросхема LT8391 поддерживает немерцающее ШИМ-управление яркостью как с внутренним, так и с внешним ШИМ-регулированием, даже при использовании режима преобразования с расширением спектра (заявка на патент уже подана).

 

50-Вт синхронный понижающе-повышающий драйвер светодиодов с КПД 98%

Мощный понижающе-повышающий светодиодный драйвер на микросхеме LT8391, схема которого приведена на рис. 1, управляет линейкой 25 В/2 А светодиодов в широком диапазоне входного напряжения. Этот 60-Вт понижающе-повышающий преобразователь работает вплоть до 4 В по входу. Когда входное напряжение преобразователя мало, входные и пиковые токи ключей могут быть достаточно большими. При этом, если входное напряжение VIN падает достаточно низко — настолько, чтобы достичь предела максимально возможного пикового тока дросселя, — микросхема может поддерживать стабильность выходного тока и удерживать его на уровне максимально допустимого пикового тока, хотя и при пониженной выходной мощности, как это показано на рис. 2. Такое решение достаточно выгодно с точки зрения проектирования системы. Так, езда автомобиля с уменьшением выходной яркости при низком значении VIN во время работы холодного двигателя является лучшей альтернативой, чем превышение предела максимального тока и связанное с этим увеличение габаритов дросселя, его стоимости, площади печатной платы и входного тока. И все это необходимо только ради того, чтобы удержать фары на полной яркости при переходных условиях кратковременного пониженного уровня VIN.

Пример схемы включения четырехключевого синхронного повышающе-понижающего преобразователя LT8391, управляющего светодиодами 25 В/2 А (50 Вт) с КПД до 98%

Рис. 1. Пример схемы включения четырехключевого синхронного повышающе-понижающего преобразователя LT8391, управляющего светодиодами 25 В/2 А (50 Вт) с КПД до 98%

Максимальный КПД  50-Вт светодиодного драйвера, приведенного на рис. 1, достигает 98% (рис. 2). При работе от типовой автомобильной батареи диапазон входного напряжения 9–16 В, рассматриваемый преобразователь работает в диапазоне КПД 95–97%.

Графики КПД и тока через светодиоды в зависимости от входного напряжения для 50-Вт светодиодного драйвера, приведенного на рис. 1. Максимальный КПД составляет 98% и находится в диапазоне 95–97% в пределах всего типового для автомобилей диапазона питающих напряжений (9–16 В). Видно, что максимальный ток дросселя в схеме с LT8391 ограничен и может поддерживаться стабильный выходной ток с уменьшенной выходной мощностью даже при низких значениях выходного напряжения VIN

Рис. 2. Графики КПД и тока через светодиоды в зависимости от входного напряжения для 50-Вт светодиодного драйвера, приведенного на рис. 1. Максимальный КПД составляет 98% и находится в диапазоне 95–97% в пределах всего типового для автомобилей диапазона питающих напряжений (9–16 В). Видно, что максимальный ток дросселя в схеме с LT8391 ограничен и может поддерживаться стабильный выходной ток с уменьшенной выходной мощностью даже при низких значениях выходного напряжения VIN

При использовании мощных МОП-транзисторов и одного мощного дросселя повышение температуры для этого преобразователя невелико даже при выходной мощности в 50 Вт. Как это видно по результатам измерения тепловым сканером, представленным на рис. 3, при напряжении 12 В на входе температура ни одного из компонентов преобразователя не поднимается более чем на 25 °С выше температуры окружающей среды. При входном напряжении 6 В, при размещении преобразователя на стандартной четырехслойной печатной плате без радиатора или принудительного охлаждения, температура самого горячего компонента поднимается не более, чем на 50 °С. Таким образом, имеется реальная возможность увеличения выходной мощности драйвера до сотни ватт, причем при использовании всего лишь одного преобразователя.

Тепловые диаграммы понижающе-повышающего драйвера светодиодов, приведенного на рис. 1, демонстрируют малое повышение собственной температуры в широком диапазоне входных напряжений VIN

Рис. 3. Тепловые диаграммы понижающе-повышающего драйвера светодиодов, приведенного на рис. 1, демонстрируют малое повышение собственной температуры в широком диапазоне входных напряжений VIN

Благодаря ШИМ-управлению яркостью на частоте ШИМ 120 Гц рассматриваемый 50-Вт светодиодный драйвер без мерцания может обеспечить глубину регулировки димминга 1000:1. Регулирование яркости светодиодной сборки обеспечивается ШИМ-управлением МОП-транзистора верхнего плеча с управлением по выходу PWMTG. В качестве своеобразного бонуса этот транзистор осуществляет отключение внешней цепи при перегрузке по току во время короткого замыкания. Вход PWM микросхемы используется как дублирующий в качестве входного ШИМ-сигнала стандартного логического уровня. При этом он может использоваться и как приемник для внешнего ШИМ-регулирования яркости, и как дополнительный аналоговый вход, который определяет внутренне сгенерированный рабочий цикл ШИМ.

 

Формирование ШИМ-управления яркостью внутри микросхемы

Микросхема LT8391 имеет два способа ШИМ-димминга — стандартное внешнее ШИМ-управление яркостью и внутренний генерируемый ШИМ-димминг. Для того чтобы иметь высокоточную регулировку яркости при ШИМ-регулировке с соотношением до 128:1, в LT8391 имеется уникальная функциональная возможность для внутреннего ШИМ-управления яркостью. Это устраняет необходимость в использовании таких внешних компонентов, как устройства синхронизации и микроконтроллеры.

Частота внутренне генерируемой ШИМ, например равная 200 Гц, устанавливается внешним резистором по выводу RP микросхемы. Напряжение на контакте PWM установится между 1 и 2 В, что определяет внутренний цикл ШИМ-генератора димминга, который и определяет точное управление яркостью. Рабочий цикл при использовании внутреннего димминга выбран как один из 128 возможных шагов, а внутренний гистерезис предотвращает дребезг рабочего цикла. Погрешность внутреннего ШИМ-димминга не превышает ±1%. Она остается постоянной и не изменяется ни в режиме повышения, ни в режиме понижения напряжения, ни в понижающе-повышающем режиме работы преобразователя.

 

Технология расширения спектра уменьшает уровень электромагнитных помех (ЭМП)

Технология расширения спектра путем его частотной модуляции уменьшает уровень электромагнитных помех, наводимых импульсными преобразователями. Обычно их рабочая частота преобразования выбирается такой, чтобы она находилась за пределами диапазона частот, используемого для радиовещания с амплитудной модуляцией на средних волнах (AM-диапазон, 530 кГц–1,8 МГц). Однако неослабленные гармоники, возникающие при переключении, все же могут превысить установленные для автомобильной электроники жесткие требования по пиковым и средним уровням электромагнитных помех в пределах этого AM-диапазона. Добавление расширения спектра в импульсный источник питания с рабочей частотой 400 кГц может значительно снизить электромагнитные помехи высокой мощности от драйверов фар — как в пределах диапазона AM-вещания на средних волнах, так для других диапазонов волн, на которых осуществляется радиовещание, таких как длинные и короткие волны.

Диаграмма тока светодиодов показывает стабильный оклик на управление по входу CTRL с изменением тока драйвера с 1 до 2 А

Рис. 4. Диаграмма тока светодиодов показывает стабильный оклик на управление по входу CTRL с изменением тока драйвера с 1 до 2 А

При активации режима размытия спектра SSFM электромагнитные помехи 50-Вт светодиодного драйвера, выполненного на микросхеме LT8391, в полосе AM радиовещания уменьшаются как для пиковых, так и для средних уровней требований по ЭМП согласно CISPR 25 (рис. 5). Среднее значение уровня ЭМП имеет более жесткие ограничения — 20 дБ (мкВ) ниже уровня допустимых пиковых значений. По этой причине микросхема LT8391 в режиме SSFM уменьшает средний уровень ЭМП значительнее, чем их пиковые уровни. Видно, что есть 18-дБ (мкВ) или большее снижение среднего уровня ЭМП, но при этом обеспечивается еще около 5 дБ (мкВ) дополнительного снижения от пикового уровня электромагнитных помех. Расширение спектра очень полезно для снижения отрицательного воздействия преобразователя на чувствительное к электромагнитным помехам автомобильное оборудование, такое как радиоприемники и средства коммуникации.

Расширение спектра методом частотной модуляции (SSFM) уменьшает пиковые и средние уровни ЭМП преобразователя LT8391 ниже границ, установленных стандартом CISPR 25

Рис. 5. Расширение спектра методом частотной модуляции (SSFM) уменьшает пиковые и средние уровни ЭМП преобразователя LT8391 ниже границ, установленных стандартом CISPR 25

В некоторых преобразователях технология расширения спектра и немерцающее ШИМ-управление яркостью светодиодов не работают вместе должным образом. Режим расширения спектра методом SSFM при воздействии на рабочую частоту переключения преобразователя коммутации для внешнего окружения может выглядеть как шум. И вместо того чтобы рассредоточить энергию электромагнитных помех, размазывая их пиковые значения, это изменение частоты может накладываться на сигнал с ШИМ, используемый для немерцающего управления яркостью. Запатентованный компанией LT метод ШИМ-регулировки яркости с одновременным использованием технологии расширения спектра был разработан таким образом, чтобы заставить обе эти функции работать одновременно с обеспечением немерцающего регулирования яркости даже при высоких соотношениях димминга. При ШИМ-димминге 1000:1 с внешним ШИМ-управлением и при соотношении 128:1 с внутренним ШИМ-управлением регулирование с расширенным спектром продолжает работать с формированием свободного от мерцаний тока светодиода, как это явно показано на снимках с экрана запоминающего осциллографа (рис. 6).

Осциллограммы, полученные с использованием запоминающего осциллографа, показывают одновременное использование ШИМ-димминга и режима расширения спектра SSFM для немерцающей регулировки яркости как в случае внешнего, так и внутреннего ШИМ-регулирования

Рис. 6. Осциллограммы, полученные с использованием запоминающего осциллографа, показывают одновременное использование ШИМ-димминга и режима расширения спектра SSFM для немерцающей регулировки яркости как в случае внешнего, так и внутреннего ШИМ-регулирования

 

Корпус QFN и сдвоенные МОП-транзисторы уменьшают конечные размеры понижающе-повышающего преобразователя

Микросхема LT8391 доступна в корпусах двух типов: 28-контактном корпусе типа FE и корпусе типа QFN с размерами, не превышающими 4×5 мм. Проектировщики, которым во время проверки решения на плате и протоколирования результатов требуется доступ к контактам микросхемы, могут использовать 28-контактный корпус FE, но для других будет предпочтителен малогабаритный, не занимающий большого пространства на печатной плате корпус QFN. Те же, кому требуется конечное решение в очень ограниченном пространстве, могут выполнить конечное решение, используя сдвоенные МОП-транзисторы в двух корпусах типа QFN с размерами 3×3 и 5×5 мм. Синхронный понижающе-повышающий контроллер не потребует много места на плате, его очень высокая эффективность может быть достигнута в границах всего основного диапазона напряжений автомобиля, а выбор сдвоенных МОП-транзисторов обеспечит минимальную занимаемую площадь его конечного решения на печатной плате.

Понижающе-повышающий преобразователь с входным напряжением 4–60 В и выходным напряжением 16 В выполнен на двух сдвоенных МОП-транзисторах и микросхеме LT8391 в корпусе QFN (рис. 7) и используется как 1-A светодиодный драйвер, имеющий максимальный КПД, превосходящий 95%. Экономия занимаемого пространства на печатной плате при использовании этого конструктивного решения показана на рис. 8.

Компактное решение с использованием микросхемы LT8391 в корпусе QFN и двух сдвоенных МОП-транзисторов. Этот 4–60-В четырехключевой понижающе-повышающий преобразователь при минимальной занимаемой площади на печатной плате обеспечивает питание линейке светодиодов 1 А/16 Вт с максимальным КПД и выходным напряжением 12–16 В

Рис. 7. Компактное решение с использованием микросхемы LT8391 в корпусе QFN и двух сдвоенных МОП-транзисторов. Этот 4–60-В четырехключевой понижающе-повышающий преобразователь при минимальной занимаемой площади на печатной плате обеспечивает питание линейке светодиодов 1 А/16 Вт с максимальным КПД и выходным напряжением 12–16 В

Сравнение компактного решения, показанного на рис. 6, с решением, приведенным на рис. 1. В компактном решении применены сдвоенные МОП-транзисторы в корпусах 5×5 и 3×3 мм, что уменьшает площадь печатной платы рассматриваемого четырехключевого синхронного понижающе-повышающего преобразователя

Рис. 8. Сравнение компактного решения, показанного на рис. 6, с решением, приведенным на рис. 1. В компактном решении применены сдвоенные МОП-транзисторы в корпусах 5×5 и 3×3 мм, что уменьшает площадь печатной платы рассматриваемого четырехключевого синхронного понижающе-повышающего преобразователя

При сложных условиях работы из-за широкого диапазона входного напряжения сдвоенные МОП-транзисторы нагреваются всего на 15 °C, как это показано на рис. 9. Выполненные в одном корпусе МОП-транзисторы могут обеспечить выходное напряжение при токе в нагрузке более 2 A (25 Вт), сохраняя при этом высокое значение КПД. Чтобы еще больше уменьшить размер конечного решения, можно использовать в обоих плечах меньшие по размерам (3×3 мм) сдвоенные МОП-транзисторы. А для получения несколько более высокой номинальной мощности или при необходимости обеспечить более высокое напряжение желательно использовать сдвоенные МОП-транзисторы в бόльших (5×5 мм) корпусах.

Компактная система, выполненная на сдвоенных МОП-транзисторах, которая показана на рис. 6, обеспечивает увеличение температуры всего лишь на 15 °С как при малом, так и при высоком уровнях входного напряжения VIN

Рис. 9. Компактная система, выполненная на сдвоенных МОП-транзисторах, которая показана на рис. 6, обеспечивает увеличение температуры всего лишь на 15 °С как при малом, так и при высоком уровнях входного напряжения VIN

 

Зарядные устройства с режимами стабилизации тока и напряжения и с флагом C/10

Возможность драйверов светодиодов формировать стабильный ток и напряжение позволяет использовать их в качестве зарядных устройств. Особенно это эффективно, когда такой драйвер имеет еще и возможность определять ток, пропорциональный C/10, и, соответственно, сигнализировать об этом (С/10 означает заряд током, численно равным одной десятой части заявленной емкости аккумулятора). Режим детектирования С/10 в микросхеме LT8391 переключается изменением состояния по выводу FAULT, и, когда ток заряда батареи падает, он может быть использован для изменения уровня стабилизированного напряжения при заряде герметической свинцово-кислотной батареи (SLA) к другому, стабилизированному напряжению — напряжению холостого хода (режим хранения батареи).

Выполненное на базе микросхемы LT8391 зарядное устройство на ток 7,8 A для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов показано на рис. 10. Особенностью этого решения является максимальный КПД, равный 97% (рис. 11), а также возможность удержания постоянного тока заряда, постоянного напряжения заряда и поддержания напряжения холостого хода аккумулятора во всех трех режимах функционирования преобразователя — повышения и понижения напряжения, а также в понижающе-повышающем режиме.

7,8-А зарядное устройство для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов на базе высокоэффективного понижающе-повышающего преобразователя и четырех 3×3 мм МОП-транзисторов, обеспечивающее режим заряда и формирование напряжения холостого хода батареи

Рис. 10. 7,8-А зарядное устройство для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов на базе высокоэффективного понижающе-повышающего преобразователя и четырех 3×3 мм МОП-транзисторов, обеспечивающее режим заряда и формирование напряжения холостого хода батареи

График изменения КПД зарядного устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис. 11. График изменения КПД зарядного устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов

Это зарядное устройство определяет короткое замыкание, выполняет полное отключение батареи и предотвращает обратный ток от батареи. Работа в режиме прерывистых токов (DCM) и новейшее решение в части контроля тока дросселя, с использованием одного резистора, позволяет в любой момент определить пиковый ток дросселя. Это дает возможность предотвратить обратный ток через дроссель и ключи, что является потенциальной западней для некоторых зарядных устройств, выполненных на базе четырехключевых понижающе-повышающих преобразователей, которые используют принудительный непрерывный токовый режим управления.

Профиль заряда, приведенный на рис. 12, демонстрирует режим заряда постоянным током 7,8-A свинцово-кислотной батареи понижающе-повышающим преобразователем, область при переходе в режим стабилизации напряжения на батарее и режим заряда малым током в режиме холостого хода аккумулятора. На рис. 13 показаны тепловые диаграммы зарядного устройства, работающего при различных значениях входного напряжения VIN.

Три режима заряда свинцово-кислотной батареи зарядным устройством на микросхеме LT8391, включая: заряд постоянным током, стабилизацию напряжения на батарее и переход в режим холостого хода аккумулятора

Рис. 12. Три режима заряда свинцово-кислотной батареи зарядным устройством на микросхеме LT8391, включая: заряд постоянным током, стабилизацию напряжения на батарее и переход в режим холостого хода аккумулятора

 

 

Тепловые изображения зарядного устройства для свинцово-кислотной батареи

Рис. 13. Тепловые изображения зарядного устройства для свинцово-кислотной батареи

 

Переход на зеленые стандарты с мощным светодиодным освещением зданий, работающим от напряжения переменного тока

Использование мощных систем светодиодного освещения в конструкции новых зданий и сооружений является как экологически более правильным, так и высоконадежным. Светодиоды характеризуются редкими отказами (соответственно, уменьшается количество замен светоизлучающих приборов), превосходными цветами свечения и простым управлением яркостью при одновременном снижении опасных для экологии отходов и повышении эффективности использования энергии. При использовании контроллера LT8391 галогенное освещение, которое, как правило, использует 24-В трансформаторы, может быть легко заменено на более эффективное светодиодное, работающее от этого же напряжения переменного тока.

На рис. 14 приведена схема системы светодиодного освещения выходной мощностью 84 Вт, работающая от напряжения переменного тока. Она питает светодиоды переменным напряжением 15–25 В частотой 120 Гц с пиковым током до 6 А. Двухполупериодный выпрямитель преобразует напряжение переменного тока 24 В частотой 60 Гц в напряжение на входе микросхемы LT8391 в виде полуволн, следующих с частотой 120 Гц. Четырехключевой преобразователь на базе микросхемы LT8391 позволяет регулировать выходное напряжение переменного тока для питания светодиодов с высоким коэффициентом мощности на входе во всех режимах работы такого преобразователя — повышающем, понижающем или в понижающе-повышающем режиме. Формы сигналов, приведенные на рис. 15, показывают, что при сохранении КПД на уровне 93% при высокой мощности мы имеем коэффициент мощности, равный 98%. На изображении, полученном от теплового сканера, которое приведено на рис. 16, представлено распределение температуры двухполупериодного выпрямителя.

Система светодиодного освещения мощностью 84 Вт, работающая на частоте 120 Гц от напряжения 24 В переменного тока частотой 60 Гц. КПД системы составляет 93% при коэффициенте мощности, равном 98%, что соответствует «зеленым» стандартам для нового строительства

Рис. 14. Система светодиодного освещения мощностью 84 Вт, работающая на частоте 120 Гц от напряжения 24 В переменного тока частотой 60 Гц. КПД системы составляет 93% при коэффициенте мощности, равном 98%, что соответствует «зеленым» стандартам для нового строительства

Формы входного тока и напряжения системы светодиодного освещения мощностью 84 Вт, работающей на частоте 120 Гц, соответствуют коэффициенту мощности, равному 98%

Рис. 15. Формы входного тока и напряжения системы светодиодного освещения мощностью 84 Вт, работающей на частоте 120 Гц, соответствуют коэффициенту мощности, равному 98%

Идеальный диод, реализованный в микросхеме LT8391 и используемый в системе светодиодного освещения, работающей от напряжения переменного тока 24 В, не нагревается и тем самым удерживает КПД на высоком уровне. Температура всех дискретных компонентов системы находится ниже +55 °C

Рис. 16. Идеальный диод, реализованный в микросхеме LT8391 и используемый в системе светодиодного освещения, работающей от напряжения переменного тока 24 В, не нагревается и тем самым удерживает КПД на высоком уровне. Температура всех дискретных компонентов системы находится ниже +55 °C

 

Заключение

Предлагаемый четырехключевой синхронный понижающе-повышающий 60-В светодиодный драйвер LT8391 может питать большие светодиодные сборки высокой мощности. Он с успехом может быть использован в компактных, высокоэффективных конструкциях. Для снижения уровня электромагнитных помех с немерцающим внешним и внутренним ШИМ-диммингом в этой микросхеме предусмотрена возможность использования расширения спектра методом частотной модуляции. Синхронное переключение, используемое в микросхеме LT8391, обеспечивает высокую эффективность за счет широкого диапазона входного напряжения. Кроме того, в ней, для того чтобы поддерживать высокую эффективность при небольших нагрузках и для предотвращения обратного тока, также предусмотрена возможность функционирования и в режиме прерывистых токов (DCM). Функционирование в режиме стабилизированного тока и стабильного постоянного напряжения, в сочетании с С/10-детектированием, делают микросхему контроллера LT8391 подходящей для проектирования на ней мощных зарядных устройств свинцово-кислотных батарей, используя при этом и функцию заряда, и функцию хранения батареи в режиме холостого хода.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.