Проектирование активного фильтра для PSR LED-драйвера

Задача проектирования адаптивного фильтра

Прежде чем определить задачу проектирования активного фильтра, следует обозначить его место в составе драйвера.

Основу драйвера составляет импульсный обратноходовой преобразователь со стабилизацией постоянной составляющей выходного тока по первичной стороне и встроенной функцией корректора коэффициента мощности (ККМ). Существует множество похожих друг на друга реализаций этой топологии с применением разных контроллеров. На рис. 1 приведен пример такой схемы.

Рис. 1. Пример схемы драйвера без фильтра

Как видно из схемы, она лишена общей цепи обратной связи. Контроллер может только измерять ток через силовой ключ. Очевидно, контроллер имеет информацию о скважности управляющего сигнала. На основании этих данных в нем строится оценка выходного тока, и она сравнивается с пороговым значением. Кроме того, преобразователь обладает функцией ККМ, а значит, ток с выхода вторичного выпрямителя пульсирует вместе с напряжением после диодного моста. Когда напряжение сети близко к нулю, то и выходной ток выпрямителя близок к нулю. Нагрузка в такие интервалы времени питается от накопительного конденсатора. Это приводит к пульсациям напряжения на конденсаторе, что вызывает пульсации тока через нагрузку, СИД и светового потока. На пульсации светового потока накладывают ограничения действующее законодательство и рыночная конкуренция. Пульсации можно уменьшить, увеличив емкости накопительного конденсатора. Но в условиях жесткой ценовой конкуренции такой возможности нет. В такой ситуации и помогает вторичный активный фильтр, который включается между импульсным преобразователем и нагрузкой. Он срезает часть напряжения на накопительном конденсаторе вместе с пульсациями. И на выход драйвера попадает только очищенное постоянное напряжение, которое и питает нагрузку.

Работу фильтра можно анализировать с помощью программы цифровой симуляции LTSpice. По желанию разработчика можно использовать другой пакет на основе Spice.

Поскольку фильтр активно взаимодействует с импульсным конвертером и нагрузкой, нам придется внести в модель элементы, отвечающие за эти части схемы. Нагрузку можно представить в виде массива последовательно соединенных СИД. Достаточно выбрать диод с подходящим рабочим током и установить их необходимое последовательное число. Сложнее имитировать импульсный преобразователь. Здесь можно использовать тот факт, что сам преобразователь стабилизирует постоянную составляющую выходного тока. Поэтому его логично представить в виде источника тока. Кроме того, он является активным ККМ. Как известно, выходной ток такого ККМ пульсирует с частотой выпрямленного напряжения 100 Гц. Важный элемент схемы — накопительный конденсатор — логично представить в виде конденсатора. Если все сделано правильно, то виртуальное напряжение на конденсаторе должно совпадать с реальным по форме и величине.

На рис. 2 представлена схема модели. Между нагрузкой и источником будет включен фильтр. Пока фильтра нет, выводы «Вход» и «Выход» следует соединить и проверить работу источника на нагрузку без фильтра.

Рис. 2. Заготовка модели для LTSpice

На рис. 3 показаны результаты работы схемы без фильтра. Синяя кривая — напряжение на накопительном конденсаторе. Зеленая — ток в нагрузке. Средний ток составил 350 мА, напряжение на нагрузке 116 В, мощность 41 Вт, коэффициент пульсации тока нагрузки около 10%.

Рис. 3. Пульсации без фильтра

Применение простейшего фильтра

Когда простейшая модель импульсного конвертера и нагрузки построены и проверены, можно приступать к построению фильтра. Начнем с простейшей и наиболее известной схемы. Эмиттерный повторитель на составном дискретном транзисторе и пассивный RC-фильтр представлены на рис. 4.

Рис. 4. Простейший фильтр

Несмотря на примитивность, такая схема вполне работоспособна. Оценим технические характеристики этой схемы, обратившись к диаграмме сигналов на рис. 5.

Рис. 5. Диаграммы простейшего фильтра

На приведенных диаграммах видно, что на входе фильтра присутствуют сильные пульсации напряжения (красная кривая). На выходе также просматриваются пульсации (синяя кривая), но их амплитуда во много раз меньше. Важно, что входное напряжение всегда больше выходного и приближается к последнему при прохождении через локальный минимум. Форма пульсаций тока (зеленая кривая) несколько изменилась, амплитуда сократилась во много раз. Коэффициент пульсаций выходного тока менее 0,5%, что в двадцать раз лучше, чем в схеме без фильтра. Платой за такое улучшение параметров стала рассеиваемая на фильтре мощность. Среднее падение напряжения на фильтре составило почти 3 В. Это привело к дополнительным потерям мощности примерно в 1 Вт. Если принять мощность драйвера равной 40 Вт, такие потери означают снижение КПД примерно на 2,5%.

Рассматриваемый фильтр часто называют адаптивным. В процессе работы он автоматически адаптируется к фактическому выходному току импульсного преобразователя и к пульсациям на его выходе. Посмотрим, как именно происходит процесс адаптации.

На рис. 6 представлены уже знакомые диаграммы напряжения и тока фильтра. Причем вместо входного напряжения приведена более информативная величина, перепад между входным и выходным напряжением фильтра (синяя кривая). И добавлена диаграмма напряжения на базе составного транзистора, которое совпадает с напряжением на выходе RC-фильтра (красная кривая). Зеленая кривая — ток в нагрузке.

Рис. 6. Работа адаптивного фильтра

Как мы уже видели раньше, на входе фильтра присутствуют существенные пульсации напряжения. В то же время на базе составного транзистора размах пульсаций в несколько раз меньше, это результат работы пассивного RC-фильтра. Выходное напряжение и выходной ток примерно повторяют напряжение на базе. Рассмотрим его внимательнее. На участке, обозначенном буквой «А», наблюдается плавный рост напряжения. Этот рост обусловлен плавным зарядом конденсатора CF через резистор Rb (см. рис. 4). Там, где перепад напряжений между входом и выходом невелик, скорость роста напряжения на базе также мала. Когда перепад проходит через максимум, скорость роста увеличивается. Быстрый спад напряжения на базе наблюдается только в момент, когда входное напряжение проходит через локальный минимум. Этот интервал обозначен на диаграмме буквой «Б». В такие моменты перепад между входом и выходом приближается к напряжению насыщения составного транзистора. Когда транзистор входит в насыщение, его базовый ток резко увеличивается. Именно он разряжает конденсатор CF (рис. 4). Таким образом происходит автоматическая подстройка фильтра под фактические условия применения. Критерий подстройки — составной транзистор должен регулярно, каждый период, входить в режим насыщения на короткий период времени. При этом поддерживается минимальное падение напряжения на фильтре, при котором он еще способен выполнять свою основную задачу. Важно, чтобы интервал «Б» был коротким, много меньше интервала «А», но не нулевым. Увеличение зарядного резистора Rb снижает тока заряда и укорачивает интервал «Б».

При уменьшении входных пульсаций наблюдается постепенный рост напряжения на CF, и падение напряжения на фильтре уменьшается. Это позволяет увеличить его КПД и снизить разогрев транзистора фильтра.

При увеличении пульсаций, например, при старении накопительного конденсатора, наблюдается обратный процесс. Чтобы сохранить качество фильтрации, адаптивный фильтр увеличивает падение напряжения. Это снижает КПД и увеличивает разогрев транзистора. Последнее несет потенциальную опасность повреждения силового транзистора фильтра.

Защита от перегрева

Чтобы оценить возможные последствия, можно предложить следующий эксперимент: включить рассмотренную ранее схему и постепенно уменьшать емкость накопительного конденсатора. Диапазон уменьшения емкости от номинального значения 330 мкФ до 33 мкФ. При этом можно наблюдать, как увеличивается падение напряжения на фильтре и рассеиваемая на нем мощность, так фильтр адаптируется к новым, постепенно ухудшающимся условиям работы.

На рис. 7 представлены результаты такого виртуального эксперимента. Зеленая зона — падение напряжения на фильтре. Красная — рассеиваемая на транзисторе фильтра мощность. Левый край диаграммы соответствует емкости 330 мкФ, правый — 33 мкФ. Даже если учесть, что средняя мощность составит половину от амплитуды, очевидно, что при аварийном уменьшении емкости накопительного конденсатора есть предпосылки к перегреву фильтра.

Рис. 7. Реакция на изменение (уменьшение) емкости накопительного конденсатора

Чтобы избежать такой опасности, целесообразно встраивать в фильтр ограничитель максимального падения напряжения. Свыше определенного напряжения фильтр перестает выполнять свою основную функцию, одновременно ограничивая максимальное напряжение падения и максимальную рассеиваемую мощность.

Простейший ограничитель можно реализовать, добавив в схему стабилитрон, как это показано на рис. 8. Проверим реакцию модифицированной схемы на уменьшение емкости накопительного конденсатора.

Рис. 8. Схема фильтра с ограничителем максимального падения напряжения

На рис. 9 видно, как с уменьшением емкости растет падение напряжения на фильтре и рассеиваемая на нем мощность. Зеленая кривая — падение напряжениЯ на фильтре. Синяя — усредненная мощность рассеивания. Начиная с некоторого значения процесс практически останавливается. Так работает ограничитель. Важно помнить, что с момента срабатывания ограничителя фильтр перестает выполнять свою основную функцию. Тем не менее драйвер продолжит передавать энергию на выход, но уже с высоким уровнем пульсаций.

Рис. 9. Реакция фильтра с ограничителем напряжения

Защита от «горячего» замыкания

Другая аварийно-опасная ситуация возникает при следующей последовательности действий:

• Разомкнуть выход драйвера.
• Подать на драйвер напряжение питания.
• Выждать, когда зарядится накопительный конденсатор.
• Замкнуть выход драйвера накоротко.

Каждое из указанных действий не несет угрозы для правильно сконструированного устройства. Действительно, большинство схем имеет защиту от перенапряжения на выходе в случае холостого хода. А короткое замыкание (КЗ) токового выхода, скорее всего, переведет устройство в режим, близкий по мощности к холостому ходу. Но именно указанная последовательность часто ведет к интенсивному электрическому разряду и последующему выходу из строя активного фильтра. Чтобы понять причину, можно смоделировать эту ситуацию на имеющейся схеме. Для этого следует схему модифицировать. Диодная нагрузка нам не потребуется. Вместо нее следует установить ключ, который замкнет выход через некоторое время после начала моделирования. Далее важно установить ограничитель напряжения на накопительном конденсаторе. Напряжение ограничения следует установить выше номинального значения. Возможный вариант схемы приведен на рис. 10.

Рис. 10. Схема для моделирования КЗ

Имея такую схему, можно смоделировать переходный процесс на силовом транзисторе фильтра в момент КЗ. Результаты моделирования будут сильно зависеть от паразитных параметров компонентов, например от эквивалентного последовательного сопротивления накопительного конденсатора и его индуктивности, сопротивления проводников и т. д. Если указанные параметры неизвестны и оценить их сложно, то результат моделирования будет скорее качественным, чем количественным.

На рис. 11 представлен переходный процесс, красная диаграмма — напряжение на силовом транзисторе фильтра, зеленая — ток через него, синяя — мощность на нем. Цифры на приведенных графиках не совпадают с экспериментальными значениями. Тем не менее они позволяют получить качественную оценку. Правдоподобность такого моделирования можно проверить через энергетический баланс. До КЗ конденсатор емкостью 330 мкФ был заряжен до напряжения 130 В, он имел энергию около 2,8 Дж. В процессе разряда на силовом транзисторе выделилась близкая по значению энергия. Теперь можно сравнить полученные результаты с областью допустимой безопасной работы силового транзистора.

Рис. 11. Переходный процесс при КЗ

На рис. 12 приведена ОБР (SOA) транзистора. По этой диаграмме можно вычислить максимальную импульсную энергию, которую способен принять полупроводниковый кристалл. При токе 4 А, напряжении 40 В и длительности импульса 1 мс эта энергия составляет 0,16 Дж. Очевидно, что этот кристалл не способен импульсно принять энергию, запасенную в накопительном конденсаторе.

Рис. 12. Область безопасной работы транзистора

Защита силового транзистора фильтра

Есть несколько способов защитить силовой транзистор фильтра от воздействия энергии накопительного конденсатора. Среди них — установить транзистор с достаточным размером кристалла. Установить шунтирующий нелинейный элемент, например варистор, который примет основную часть энергии на себя. Или предусмотреть логическую схему, которая распознает аварийную ситуацию и закроет силовой транзистор. Несмотря на очевидные недостатки, такие решения имеют право на существование. Например, решение с нелинейным элементом вполне может защитить фильтр. Но при «горячем» подключении светодиодной нагрузки весьма вероятно повреждение самой нагрузки.

Далее будет рассмотрен вариант решения, который распознает аварийную ситуацию, закрывает силовой транзистор и производит относительно плавный старт схемы через обычный резистор. По окончании переходного процесса, когда большая часть энергии рассеялась в стартовом резисторе, в работу включается силовой транзистор фильтра.

На рис. 13 приведена упрощенная модель фильтра, который имеет повышенную устойчивость к «горячему» КЗ выхода. Его работу удобно рассматривать с использованием диаграмм, приведенных на рис. 14.

Рис. 13. Модель фильтра, устойчивого к КЗ

Красная кривая в верхней части рис. 14 обозначает ток через стартовый резистор Rpwr. Очевидно, что в момент КЗ через него протекает ток, обусловленный его сопротивлением и напряжением на накопительном конденсаторе. Мощность на резисторе можно оценить по красной кривой в нижней части диаграммы. Ток через стартовый резистор вызывает такое падение напряжения на датчике тока Rsns (см. рис. 13), при котором транзистор датчика тока, Q3, открывается и принудительно закрывает составную пару транзисторов фильтра. Эти транзисторы снова вступят в работу только тогда, когда стартовый резистор Rpwr рассеет основную часть энергии накопительного конденсатора. По мере разряда накопительного конденсатора снижается ток через стартовый резистор и плавно увеличивается ток через транзистор. Соответственно, растет мощность на транзисторе (синяя кривая внизу на рис. 14). В какой-то момент она проходит через максимум. В данном случае он составляет около 20 Вт. Такую мощность транзистор фильтра способен выдерживать продолжительное время. Это важно, поскольку продолжительность переходного процесса увеличилась более чем на порядок, на диаграммах видны волнообразные изгибы, соответствующие пульсациям 100 Гц. Диод D2 помогает запирать и удерживать запертым оконечный транзистор фильтра. Резистор Rdch (см. рис. 13) разрешает конфликт между ограничителем напряжения на фильтре и ограничителем тока через фильтр. Очевидно, что ограничитель тока в данном случае имеет приоритет.

Рис. 14. Переходный процесс модифицированного фильтра

Отметим, что выбор почти всех компонентов фильтра важен и существенно влияет на его работу.

Выбор типа мощного резистора Rpwr логично произвести на основе кривой рассеиваемой мощности (рис. 14) и кривых, определяющих допустимую мощность резистора в импульсном режиме. Конечно, если такие кривые есть в документации на компонент. Практика показала, что проволочный резистор мощностью 2 Вт надежно работает, но имеет высокую стоимость. Резистор на основе углерода намного дешевле, но выдерживает лишь несколько разрядов, после чего его резистивный слой частично выгорает, сопротивление увеличивается, и следующий разряд вызывает аварию активного фильтра. Резистор на основе металлической пленки может оказаться удачным компромиссным решением.

Выбор резистора Rdch следует производить тем же способом, что и резистора Rpwr, так как в момент короткого замыкания к этому резистору прикладывается почти все напряжение накопительного конденсатора. На практике целесообразно установить несколько (например, три) параллельных резисторов размером 1206. Параллельное соединение более предпочтительно, чем последовательное, поскольку последовательное соединение способно провоцировать лавинное разрушение самого слабого компонента в линейке, что актуально для недорогих компонентов.

Выбор датчика тока Rsns производится тем же способом. Снова параллельное включение двух или трех элементов размера 1206 представляется оптимальным решением.

Выбор транзисторов, очевидно, основан на их параметрах: максимальное допустимое рабочее напряжение, ток, рассеиваемая мощность. Но не менее важен коэффициент усиления по току. Предварительный транзистор логично выбрать именно по коэффициенту усиления, т. к. его вклад в стоимость невелик. А оконечный — по стоимости и коэффициенту усиления.

Например, если использовать транзистор KSC2073 производства Fairchild, то целесообразно выбрать элемент группы H2, который имеет более высокий коэффициент усиления по току. Выбор производителя пары транзисторов фильтра компании Fairchild в значительной степени вызван качеством локальной технической поддержки, оказанной инженером по применению Алексеем Евстифеевым.

Коэффициент пульсации

Как уже упоминалось, подобные схемы позволяют получать пульсации на уровне 0,5% или лучше. Но эта оценка справедлива для идеальных условий. В реальных условиях на работу фильтра влияют внешние факторы и дополнительные компоненты, которые мы внесли в схему.

Так, стабилитрон защиты от перенапряжения имеет конечное сопротивление даже в закрытом состоянии, что увеличивает проникновение помех. Важно, что чем эффективнее защита от перенапряжения, тем хуже фильтрация, и наоборот.

Резистор Rpwr образует прямой путь для проникновения пульсаций на выход. Уменьшение его номинала несколько улучшает тепловой режим транзистора фильтра, ускоряет переходный процесс, снижает перегрузку при переходном процессе. Но одновременно снижает качество фильтрации.

Резистор Rdch необходим для одновременной работы защиты от перенапряжения и защиты от КЗ. Но этот резистор затягивает процесс автоматической подстройки фильтра. И именно в эти моменты времени помехи проникают на выход. Таким образом, увеличение Rdch ухудшает фильтрацию.

Важным фактором, влияющим на уровень пульсаций, является динамическое сопротивление нагрузки. Драйвер с токовым выходом допускает подключение нагрузок с разным количеством СИД. При уменьшении числа последовательно включенных диодов снижается рабочее напряжение и мощность нагрузки. Одновременно снижается динамическое сопротивление нагрузки, и прежний уровень пульсаций напряжения вызывает больший уровень пульсаций тока. Поэтому, например, подключение половинной (по мощности и напряжению) нагрузки способно вызвать удвоение пульсаций тока на выходе.

Устойчивость фильтра

Как уже упоминалось, изменение нагрузки существенно влияет на работу фильтра. Например, половинная нагрузка способна не только снизить качество фильтрации, но и нарушить стабильность фильтра. Восстановить устойчивость можно увеличением Rdch, однако делать это следует с осторожностью, т. к. одновременно будут расти пульсации на выходе. Хорошей практикой является проверка устойчивости и качества фильтрации при минимальной допустимой нагрузке.

При КЗ происходит глубокое нарушение режима работы фильтра. Пульсации увеличиваются, вероятно нарушение устойчивости. Эти явления можно наблюдать на математической модели, в реальной схеме их заметить сложнее. Дело в том, что при КЗ выхода многие импульсные драйверы снижают выходной ток и переходят в прерывистый режим работы.

ВЧ-помехи

На выходе вторичного импульсного выпрямителя присутствуют НЧ-помехи (100 Гц) и ВЧ-помехи (десятки килогерц рабочей частоты импульсного преобразователя). С первыми активно борется фильтр. Вторые способны нарушать его работу. В общем случае ВЧ-помехи желательно удалить сразу после выпрямителя. В условиях ограниченного бюджета это непросто. Хорошей практикой является следующий подход. Сигнал после выпрямителя подается на электролитический накопительный конденсатор. От электролитического конденсатора двумя отдельными проводниками напряжение подается на керамический конденсатор. Если величины последовательной индуктивности и сопротивления накопительного конденсатора неизвестны, то рассчитать ВЧ-пульсации затруднительно. В таком случае целесообразно предусмотреть дополнительные места для установки параллельных керамических конденсаторов размера, например, 1206. Практически необходимое количество керамических конденсаторов можно уточнить позже, на действующем образце драйвера. Важно, что напряжение для активного фильтра снимается двумя отдельными проводниками непосредственно с керамического конденсатора(ов).

Проверка готового фильтра

Для ускоренной проверки работоспособности фильтра в составе готового устройства, драйвера, можно рекомендовать следующий набор тестов и измерений.

Во-первых, снятие осциллограммы напряжения между коллектором и эмиттером силового транзистора фильтра. Это напряжение почти совпадает с падением на фильтре, за исключением падения на резисторе Rsns. Пример осциллограммы приведен на рисунке 15.

Рис. 15. Осциллограмма напряжения коллектор-эмиттер

Далее, на участке «А» следует обратить внимание на уровень ВЧ-шума, он должен быть в несколько раз меньше уровня НЧ-пульсаций. Если это не так, следует проверить топологию выпрямителя и рассмотреть возможность увеличения количества и качества керамических конденсаторов в составе выпрямителя.

Отметим, что участок «Б» наиболее информативен. Здесь важно оценить размер горизонтальной «полки», плоского участка вблизи локального минимума сигнала. Отсутствие «полки» — серьезная неисправность. Не хватает тока в базе — можно уменьшить номинал резистора Rb. Но лучше увеличить усиление транзисторов, если это возможно. Длинная «полка» — фильтр исправен, но настроен не оптимально. Можно увеличить резистор Rb и улучшить фильтрацию. При нормальной длине «полки», как на рис. 15, следует оценить высоту ее расположения, это напряжение насыщения фильтра. Оно должно быть менее 1 В.

Второй тест — проверка пульсаций светового потока. Производится при минимальной разрешенной нагрузке.

Третья проверка — на КЗ. После­довательность проверки: включить драйвер на холостом ходу, через 2–3 с произвести замыкание выхода. Повторить несколько раз. Исправный фильтр после испытания должен сохранить свои параметры и уровень пульсаций. Если накапливать статистику таких испытаний слишком трудоемко, можно рекомендовать провести тестирование с увеличенной емкостью накопительного конденсатора. Например, удвоить емкость 330 мкФ, присоединив к ней еще один такой же конденсатор. Если фильтр выдержит всего один разряд удвоенной энергии, логично предположить, что он выдержит множество замыканий с номинальной емкостью.

Возможные модернизации фильтра

Возможно множество модернизаций фильтра. Большинство из них связано с оптимизацией рабочего режима силового транзистора. Например, если внимательно посмотреть реакцию Spice-модели на КЗ выхода, то можно обратить внимание, что составной транзистор закрывается с некоторой задержкой. А значит, есть короткий интервал времени, когда к нему приложено высокое напряжение накопительного конденсатора и одновременно протекает ток коллектора. Процесс длится десятки наносекунд. Количество выделившейся на коллекторе энергии невелико. Тем не менее это формальное нарушение безопасного режима работы, который зафиксирован в документации производителя.

Рис. 16. Фильтр в составе серийного драйвера 40 Вт/350 мА. Накопительный конденсатор смещен

Решить проблему может дроссель, установленный между фильтром и нагрузкой. Обычно это малогабаритный аксиальный дроссель с низкой стоимостью и относительно высоким внутренним сопротивлением. Важно, чтобы последнее не превышало номинальное сопротивление резистора Rsns. Это позволит ограничить омические потери на приемлемом уровне. Дроссель увеличивает продолжительность нарастающего фронта тока при КЗ. И у схемы управления появляется достаточно времени, чтобы надежно запереть силовой транзистор фильтра.

Другое направление совершенствования фильтра — снижение потерь мощности на нем, например за счет снижения напряжения насыщения. В базовой схеме применен эмиттерный повторитель на составном транзисторе. Такой элемент может иметь напряжение насыщения около 1 В. При токе 350 мА это приводит к потерям в 350 мВт, что составляет менее 1% от общей мощности драйвера, 40 Вт. Но при выходном токе, например, 1050 мА и общей мощности 20 Вт потери КПД устройства будут намного больше.

Заключение

Предложенная схемотехника позволяет строить относительно недорогие драйверы для питания светодиодов с применением активного фильтра на выходе драйвера. При таком подходе можно получить низкий коэффициент пульсаций выходного напряжения и тока нагрузки. Чтобы получить высокую степень надежности выходного фильтра, в частности устойчивость к короткому замыканию, целесообразно использовать программы математического моделирования его работы, например LTSpice. Возможно построение относительно эффективного активного фильтра с рабочим током более 350 мА. Это требует дополнительной проработки схемотехники с использованием математического моделирования.