Микросхемы драйверов светодиодов с различной функциональностью для полупроводниковых светотехнических изделий

Одна из первоочередных задач при проектировании многих драйверов светодиодов — обеспечить регулировку яркости светодиодных излучателей без мерцания. Именно это свойство компания Marvell подчеркивает в микросхеме драйвера 88EM8187, анонсированной в начале 2014 г. (рис. 1).

Рис. 1. Микросхема драйвера 88EM8187

По утверждению компании, этот драйвер позволяет уменьшать яркость до уровня в 1% от максимального. Marvell также заявляет о поддержке широкого ассортимента фазовых светорегуляторов и об успешном тестировании образцовой лампы с 250 серийно выпускаемыми свето­регуляторами. Микросхема в основном цифровая, и регулировка яркости в ней реализована по алгоритмам цифровой обработки сигналов. Алгоритм выбирается в зависимости от того, к какому типу принадлежит обнаруженный светорегулятор. Для проверки характеристик регулировки яркости на образцовой схеме драйвера светодиодов Marvell привлекла к сотрудничеству компанию Lutron, специализирующуюся в области автоматического управления.

Регулировка яркости, в том числе с понижением цветовой температуры, была актуальной темой на выставке Light+Building 2014, проходившей во Франкфурте. На этом мероприятии подразделение преобразователей энергии компании Dialog Semiconductor (ранее iWatt Inc.) объявило о выпуске двух микросхем драйверов, поддерживающих регулировку яркости — с понижением цветовой температуры и без такового. Микросхема iW3600 (рис. 2), предназначенная главным образом для применения в лампах прямой замены, обеспечивает так называемую «плавную регулировку яркости» с уровня 100 до 1%. За счет однокаскадной архитектуры уменьшается общее число компонентов в схеме драйвера. iW3630 имеет два канала, что позволяет использовать красные или янтарные светодиоды для снижения цветовой температуры света лампы прямой замены при низких уровнях яркости, имитируя работу ламп накаливания.

Рис. 2. Микросхема iW3600

Термин «стабилизация на стороне первичной обмотки» употребляется в отношении драйверов с гальванической развязкой, в которых регулирование осуществляется на стороне первичной обмотки трансформатора. Среди специалистов по преобразователям энергии эта схема известна как способ уменьшить число компонентов в драйвере и упростить печатную плату. По словам компании Power Integrations, именно такими преимуществами обладает микросхема LYTSwitch-2 (рис. 3).

Рис. 3. Микросхема LYTSwitch-2

Помимо прочего, гальваническая развязка позволяет монтировать светодиодный узел непосредственно на проводящем радиаторе, тем самым повышая эффективность регулирования тепловых режимов. Производитель предназначает эту микросхему для использования с полупроводниковыми лампами прямой замены, светильниками нижнего света и трубчатыми лампами мощностью 1–12 Вт.

Соблюсти требования регулирующих органов к светодиодным светотехническим изделиям в части электромагнитных помех (ЭМП) зачастую бывает нелегко, особенно в случае высокочастотных импульсных драйверов. К решению этой проблемы производители подходят по-разному. В частности, компания Linear Technology в микросхеме LT3795 (рис. 4) использует широкополосную частотную модуляцию для распределения ЭМП по относительно широкому спектральному диапазону. За счет этого снижается пиковая энергия в любой конкретной узкой полосе, что помогает соблюсти отраслевые нормы в проектируемых изделиях. Частоту переключения можно устанавливать в пределах от 100 кГц до 1 МГц. Микросхема обеспечивает регулировку яркости методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в диапазоне 3000:1 и напрямую поддерживает интерфейс 0–10 В.

Рис. 4. Микросхема LT3795

Многие драйверы светодиодов, работающие на постоянном токе, выполняются по двухкаскадной схеме с корректором коэффициента мощности (ККМ) в первом каскаде и стабилизированным источником тока во втором. Но компания Cirrus Logic, наряду с другими производителями, ориентируется на однокаскадные схемы, особенно на чувствительном к цене рынке ламп прямой замены (рис. 5).

Рис. 5. Микросхема Cirrus Logic

Однокаскадная архитектура уменьшает число компонентов, но затрудняет поддержку традиционных фазовых свето­регуляторов и устранение мерцания. В представленных здесь микросхемах Cirrus Logic алгоритмы регулирования яркости реализованы цифровым способом на базе конечных автоматов. По утверждению производителя, драйверы протестированы более чем с 300 серийно выпускаемыми светорегуляторами. Микросхемы работают от сети переменного тока номинальным напряжением 120 (CS1615) или 230 В (CS1616).

К использованию многоканальных драйверов прибегают, когда нужно обеспечить питание большего количества светодиодов, чем позволяет мощность одного канала, или смешивать цвета для получения света заданной окраски (в том числе белого света конкретной цветовой температуры). Для таких ламп и светильников компания Texas Instruments (TI) предлагает микросхему TPS92660 с понижающим DC/DC-преобразователем в основном канале и линейным стабилизатором в канале вторичного цвета (рис. 6).

Рис. 6. Микросхема TPS92660

В ассортименте компании есть также микросхемы TPS92640 и TPS92641 — одноканальные драйверы того же семейства с возможностью регулирования яркости в диапазоне 500:1 и 2500:1 соответственно. Все эти микросхемы поддерживают аналоговое и ШИМ-регулирование яркости. Семейство в целом предназначено для применения в светодиодных лампах и светильниках, могущих иметь в своем составе микроконтроллер. Для таких применений TI предлагает микроконтроллеры семейства MSP430.

Микросхема двухканального драйвера 88EM8803 может применяться в лампах и светильниках с настраиваемой цветовой температурой белого света и оптимизирована для питания двух светодиодных лент. Она представляет собой дальнейшее развитие широко применяемой микросхемы 88EM8801 (рис. 7).

Рис. 7. Микросхема 88EM8803

Драйверы на базе этой микросхемы для ламп или светильников с питанием от сети требуют отдельного AC/DC-преобразователя. Микросхема рассчитана на светодиодные ленты с прямым напряжением до 60 В. Для настройки цвета свет белых или грязно-белых светодиодов смешивается со светом красных или янтарных светодиодов, за счет чего добавляется энергия в области теплых цветов. Такая схема позволяет также достичь высокого индекса цветопередачи лампы или светильника благодаря добавочной энергии в красной части спектра и поддерживать великолепную световую отдачу.

Внутреннее освещение автомобиля включает в себя потолочное и индивидуальное освещение, а также рассеянное освещение салона. Для таких применений предназначена микросхема линейного драйвера A6263 (рис. 8) компании Allegro Microsystems. Четыре канала с номинальным током 100 мА позволяют синхронно управлять большими массивами светодиодов или использовать каждый канал отдельно для разных световых приборов. Выходной ток каждого канала задается измерительным резистором. В микросхеме реализованы обязательные для автомобильного оборудования защитные функции, в частности защита от обрыва и короткого замыкания в светодиодах и лентах, а также от перегрева.

Рис. 8. Микросхема линейного драйвера A6263

В этом году компания TI одновременно анонсировала выпуск микросхем драйверов TPS92602 и TPS92630, предназначенных для применения соответственно в передних и задних внешних световых приборах автомобиля (рис. 9).

Рис. 9. TPS92602-Q1 и TPS9263Q-Q1 — новое поколение драйверов светодиодов компании TI для передних и задних световых приборов автомобилей

Популярность светодиодов в автомобильной светотехнике растет благодаря их энергоэффективности, долговечности и компактности. Микросхема TPS92630 предназначена для применения в задних световых приборах, таких как указатели поворота, фонари заднего хода и стоп-сигналы. Микросхема обеспечивает автоматическое обнаружение обрыва или короткого замыкания одного светодиода с сохранением надлежащей работы светового прибора в целом, как предписывается нормативно-законодательными требованиями во многих регионах. Микросхема TPS92602 представляет собой двухканальный драйвер для передних световых приборов на базе импульсного преобразователя напряжения с поддержкой разных топологий в каждом из каналов (повышающая, понижающая, понижающе-повышающая, SEPIC, обратноходовая).

Для полупроводниковых светотехнических систем с сетевой функциональностью и поддержкой автоматического управления компания Dialog Semiconductor предлагает микросхемы драйверов семейства SmarteXite. Семейство SmarteXite предназначено для цифрового сопряжения ламп и светильников. Микросхема iW6401 — первый продукт этого семейства (рис. 10).

Рис. 10. Микросхема iW6401

Микросхема iW6401 поддерживает протокол регулирования яркости Ledotron, который продвигается консорциумом европейских светотехнических компаний. Этот протокол, описанный в стандарте IEC 62756-1, обеспечивает взаимодействие с совместимыми устройствами управления, например светорегуляторами, без необходимости в настройке. Поддержка проводных и беспроводных сетей обеспечивается отдельными микроконтроллерами, связь с которыми осуществляется по последовательному интерфейсу ПК.

Большинство микросхем драйверов с регулированием яркости управляются фазой сигнала переменного тока (как в симисторных и транзисторных выключателях со светорегуляторами) или специальными сигналами от цифровых сетей (напряжением 0–10 В). В микросхеме драйвера 88EM8189 компании Marvell реализованы обе эти возможности. Она непосредственно поддерживает фазовое управление, а также воспринимает цифровые входные сигналы, поступающие через компьютерный интерфейс от микроконтроллера в сетевой системе. Кроме того, на кристалле микросхемы реализован AC/DC-преобразователь, от которого можно питать сопутствующий микроконтроллер. Показанная на рис. 11 образцовая схема демонстрирует возможность объединения функций микроконтроллера и драйвера в форм-факторе, пригодном для использования даже в светодиодных лампах прямой замены.

Рис. 11. Схема, демонстрирующая возможность объединения функций микроконтроллера и драйвера

В большинстве светодиодных светотехнических изделий сегодня используются драйверы, работающие на постоянном токе. Технология питания светодиодов от сети переменного тока позволяет реализовывать минимальные драйверы, которые могут монтироваться на печатной плате вместе со светодиодами (иногда такие схемы называют бездрайверными). Ранее эта технология была в основном вотчиной компаний, производящих модульные светогенераторы, но сейчас компания TI, наряду с другими производителями, предлагает специализированные микросхемы, которые позволяют всем разработчикам полупровод­никовой светотехники использовать такую архитектуру. Микросхема TI TPS92411 предназначена для включения и выключения питания отрезков длинной светодиодной ленты в составе излучателя (рис. 12).

Рис. 12. Архитектура ключей с плавающим затвором

Такой подход обеспечивает изоляцию каждого отрезка с возможностью зашунтировать его конденсатором, обеспечивая гораздо более эффективное использование светодиодов в условиях, когда входное переменное напряжение слишком мало для питания большей части ленты.

Компания Seoul Semiconductor принадлежит к числу давних апологетов технологии питания светодиодов переменным током. Она выпустила множество излучателей на базе этой технологии, а недавно начала предлагать разработчикам соответствующие микросхемы. На выставке LightFair International (LFI) компания анонсировала микросхему драйвера переменного тока Acrich3 (рис. 13).

Рис. 13. Микросхема драйвера переменного тока Acrich3

По сравнению с микросхемой предыдущего поколения Acrich2 она содержит три основных усовершенствования, из которых два относятся к регулированию яркости. Новая микросхема плавнее работает с традиционными симисторными и фазовыми светорегуляторами. На выставке LFI был продемонстрирован светогенератор с плавной регулировкой яркости во всем диапазоне без видимого мигания или мерцания и с очень высокой однородностью света при использовании простого светорассеивателя. Кроме того, микросхема Acrich3 гораздо лучше работает со светорегуляторами, имеющими интерфейс 0–10 В, — особенно в нижней части диапазона яркости, плавность регулировки в котором является ключевой характеристикой для проектировщиков светотехнических систем и составителей технических заданий на такие системы.

Есть много вариантов реализации AC/DC-преобразователей и стабилизированных источников тока в драйверах светодиодов, и компания Supertex (в начале этого года поглощенная компанией Microchip) выпустила микросхему HV9805, которая объединяет в себе импульсный повышающий преобразователь с линейным стабилизатором тока. Ее схема оптимизирована по стоимости для применения со светодиодными лампами прямой замены и трубками. Поскольку второй каскад имеет линейную характеристику, для получения высокого КПД необходимо, чтобы постоянное напряжение, поступающее на его вход, было очень близко к напряжению стабилизации светодиодной ленты. Использование режима граничного тока в повышающем преобразователе обеспечивает гибкость в выборе так называемого «запаса по напряжению» в терминах Supertex.

Рис. 14. Микросхема HV9805

Благодаря работе от сети переменного тока во всем диапазоне напряжений (100–277 В) микросхема драйвера iW3623 может использоваться в лампах и светильниках по всему миру (рис. 15).

Рис. 15. Микросхема драйвера iW3623

Она предназначена для применения в области освещения жилых и коммерческих помещений — в частности, в светильниках нижнего света, лампах-фарах прямой замены, светодиодных трубках типа T8, а также потолочных световых полосах. Микросхема не поддерживает регулировку яркости, но она задумана как бюджетный вариант, который, тем не менее, обеспечивает низкий уровень пульсаций тока и мерцания — свойства, изначально присущие многим двухкаскадным схемам драйверов. Кроме того, в микросхеме предусмотрена защита ламп и светильников от перенапряжений и перегрева.