Нови интегрални драйвери за мощни LED в осветителни приложения

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2011

Значителният интензитет на светлината на мощните светодиоди (High Brightness LED) HBLED е сред предимствата, обуславящи все по-успешното им използване в осветителни приложения. Обикновено осветителните тела съдържат определено количество подходящо свързани HBLED, нормалната работа на които се осигурява от електронен блок с драйверна интегрална схема (ИС). Основното изискване към драйвера е да осигурява неизменен ток на HBLED, за да не се променя интензитетът на светлината им при изменение на захранващото напрежение. Към това изискване се прибавят и множество други: висок к.п.д., близък до единица фактор на мощността, компактни размери, минимален брой външни елементи, възможност за лесно димиране (промяна на интензитета на светлината) в широки граници без промяна на нейния цвят, контрол на температурата на диодите и поддържането й под определена стойност (повишената температура скъсява експлоатационния срок), ниска цена и дълъг експлоатационен живот.
Броят на светодиодните лампи в експлоатация нараства лавинообразно, което обяснява значителното разнообразие на ИС на драйвери. В статията се разглеждат техните съвременни разновидности, появили се на пазара през последните две години.

Ключови понижаващи драйвери
Постоянното захранващо напрежение на електронния блок обикновено е по-голямо от необходимото за HBLED, което налага намаляването му. Поради това, най-често се прилагат ключови понижаващи драйвери (Buck LED Driver, Step-Down LED Driver), които използват принципа на добре познатите и със съществени предимства, понижаващи ключови стабилизатори (Buck Converter, Step-Down Converter). За осигуряване на споменатите специфични изисквания към тяхната основна схема се прибавят допълнителни блокове.
На фиг. 1а е дадена обобщена блокова схема на драйвер с управляваните НВLED и задължителните външни елементи – бобина L, диод D и резистор RS за задаване на тока на HBLED. Показаното замасяване на RS определя термина Low-Side Current Sensing, участващ в наименованието на драйверите с тази блокова схема. Съществуват драйвери с вграден Т в ИС и с външен Т, а същевременно не всеки драйвер съдържа всички дадени блокове. Допълнителна подробност е, че освен един набор (string) от HBLED, често се използват няколко паралелно свързани за увеличаване на интензитета на светлината. Постояннотоковият стабилизатор REG осигурява напреженията на останалите блокове, а генераторът OSC е задължителният за ключови стабилизатори. Увеличаването на неговата честота fS е особено съществено, тъй като се намаляват размерите и теглото на L, но същевременно нарастват загубите при превключването на мощния транзистор. Обикновено fS е фиксирана, но в някои драйвери (например дадените в редове 1, 2 и 6 на табл. 2) се задава чрез външен резистор. Сравнително рядко за целта се използва кондензатор (драйверът в ред 7 на табл. 2). Токът ILED на HBLED създава напрежение US върху резистора RS, което се сравнява от CSA (Current Sense Amplifier) с опорното напрежение UR от REF. При увеличаване на ILED и съответно на US над UR на изхода на CSA се получава логически сигнал, който през логическия блок LG запушва Т. Диодът D се отпушва и магнитната енергия в L осигурява тока на HBLED. Тъй като тя намалява, ILED се понижава и след няколко ms достига минималната си стойност, при което Т се отпушва и енергията на L се възстановява. Този начин на работа се нарича прагово управление (Hysteretic Control) с предимства проста и евтина реализация и стабилна работа на драйвера.
Два са основните начина за промяна на съотношението между времетраенето на отпушеното състояние tON и на запушеното състояние tOFF на Т - при единия се променя tON, а tOFF е неизменно (Constant Off-Time, COFT), а при другия е обратното (Constant On-Time, CON). Промените (Ripple) на ILED са типично ±5% около средната стойност и тъй като са с типична честота няколко стотици Hz (има изключения до няколко десетки kHz, например драйверът в ред 4 на табл. 2) мигането на HBLED остава незабелязано. Важно е, че големината на пулсациите е обратно пропорционална на индуктивността на L, заради стремежа за намаляване на чиито размери се допускат пулсации до ±30%. Недостатък на това е работата на HBLED в определени интервали от време с по-големи токове и съответно намалена ефективност на преобразуването на електрическата енергия в светлинна (до даден ILED зависимостта е линейна, след което интензивността на светлината расте по-бавно с увеличаване на тока). Същевременно се скъсява експлоатационният срок на HBLED.
Задължителният за ключовите стабилизатори кондензатор, свързан успоредно на HBLED, е електролитен и е нежелан в ключовите драйвери поради сравнително късия си експлоатационен срок особено при повишени температури, тъй като би могъл да предизвика недопустимо ранна повреда. По тази причина значителна част от ИС на ключови драйвери осигуряват нормалната работа на HBLED без него – в табл. 1 това са дадените на редове 1, 3, 4, 5, 6 и 8, а в табл.2 са на редове 1, 4 и 5.
Основното предназначение на входа ADIM е за димиране чрез постоянно напрежение (Analog Dimming), което се постига чрез прибавянето му в блока CONTROL към UR. Някои драйвери могат и да се изключват чрез този вход също чрез напрежение. За димиране служи и входът PWMD, но то се постига чрез импулси с широчинноимпулсна (ШИМ, PWM) модулация, чийто коефициент на запълване се променя - при наличие на импулс протича ILED, а при липсата му - ток няма. Понякога (например драйверът в ред 4 на табл. 2) димирането се осъществява чрез MOS транзистор, свързван успоредно на HBLED, който ги дава или не накъсо. Сравнително рядко има драйвери с общ вход за димиране. Като характеристика понякога се задава обхватът на димиране, представляващ отношението на максималния и минималния интензитет на светлината (например 100:1), като този с PWM е еднакъв или по-голям от димирането с постоянно напрежение. По-принцип димирането не винаги е необходимо, поради което съществуват ИС на драйвери без него, например дадените в ред 7 на табл. 1 и ред 5 на табл. 2.
При включване на HBLED интензитетът на светлината се установява практически веднага, което при големи негови стойности може да е неприятно. За избягване на това някои драйвери имат функция плавен старт (Soft Start), който за време tSS до десетина ms плавно увеличава интензитета. Това се постига чрез вграден в ИС кондензатор между вход ADIM и маса (например този от ред 7 на табл. 1 е с tSS = 4 ms) или външен (ред 1 на табл. 2).
Блокът UVLO следи VIN и при намаляването му под прага VULVO запушва Т чрез LG и съответно изключва драйвера. Защитата от прегряване се осигурява от блока TSD, който също изключва драйвера при достигане на определена температура ТОТ на кристала. Съществуват и драйвери (например в ред 4 на табл. 1 и редове 2 и 7 на табл. 2) за контрол на температурата на HBLED чрез поставяне до тях на термистор, чието напрежение постъпва на вход на TSD. Токът ILED се следи и от блока ОСР, който при надхвърляне на максимално допустимата стойност IOCP изключва драйвера. При това съществуват две разновидности – IOCP е с фиксирана стойност или се задава чрез избора на RS. Последният случай е значително по-разпространен и при него параметър на драйвера е праговото напрежение VOCP =  RS.IOCP. Съществуват схеми с допълнителни външни елементи, които при по-ниска температура от тази за задействане на ОСР, започват да намаляват ILED чрез един от входовете за димиране и така ограничават нарастването на температурата.
Драйверите с незамасен RS (High-Side Current Sensing) са също масово използвани, а видоизменението на тяхната блокова схема е дадено на фиг. 1б при запазване на действието. Това свързване има предимството на замасен транзистор и недостатък - диференциалния вход на CSA.
В табл. 1 са дадени основните параметри на драйвери с вграден мощен транзистор, като с “x” в предпоследната колона е отбелязан видът на димирането. Тези в редове 1, 3, 6 и 7 са със замасен RS, а останалите – с незамасен. Таблицата показва съществуването по принцип на два вида драйвери – с максимално VIN около 400 V, които могат да се захранват от мрежата през мостов токоизправител (Offline Driver) и с VIN под 100 V, изискващи електронен трансформатор или свързване към постояннотокови инсталации.
Драйверите с външен мощен транзистор заемат по-голяма площ, но няма принципни ограничения за максималния ток на HBLED, т. е. възможно е захранването на много мощни светодиодни осветителни тела. Например препоръчвано приложение на драйвера от ред 2 на табл. 2 осигурява напрежение до 30 V и ток до 20 А на HBLED, при което излъчената светлина е приблизително като от 3-киловатово осветително тяло с лампи с нажежаема нишка. Драйверите също се реализират със схемите на фиг. 1, но има и сравнително малко синхронни драйвери (Synchronous Step-Down LED Driver), чието действие се изяснява чрез опростената схема на фиг. 2.
Тук при положителен импулс на изход HG се отпушва Т1, а Т2 е запушен поради липсата на импулс на LG. Токът ILED протича от VIN през Т1, L и RS и върху бобината се натрупва магнитна енергия. Следва запушване на Т1 и отпушване на Т2, през което време продължава да протича ILED, осигуряван от енергията в L. Предимството спрямо схемите с един транзистор са по-малките загуби върху Т2 в сравнение с диода D на фиг.1, с което к.п.д. нараства. Към него се прибавя възможността за замасяване на HBLED, част от чието напрежение чрез делител може да се подава на вход на драйвера за изключването му при надхвърляне на определен праг (Overvoltage Protection). Това е съществено за предпазване от повреда при често срещаното прекъсване на проводник във веригата на HBLED. Недостатъкът е не толкова в усложнената схема и наличието на два изхода HG и LG на драйвера, колкото във втория транзистор (увеличаване на цената и заеманата площ).
Примери за такива драйвери са дадени в редове 2 и 4 на табл. 2, която съдържа основните параметри на драйвери с външен мощен транзистор. С Vо са означени стойностите на напрежението на гейта на мощния транзистор за неговото отпушване и запушване, а VDD е напрежението на стабилизатора REG. Специфична особеност на драйвера в ред 4 е захранването на HBLED със замасен анод, което улеснява охлаждането им, поради което VIN е отрицателно.

Ключови повишаващи драйвери
Широко разпространени за управление на LED в приложения с батерийно захранване, тези драйвери (Boost LED Driver) имат ограничено приложение за мощни LED за осветление. Причината е, че обикновено са с входно напрежение до десетина V, каквито постояннотокови инсталации не се срещат често. Сред представителите на този тип е TPS61165 на TI с вграден мощен транзистор (RDSon=0,3 W) и типична схема на свързване на фиг. 3. При включен транзистор той свързва извода SW към маса, от VIN през бобината L протича ток и натрупва в нея магнитна енергия. Когато транзисторът е запушен, сумата на VIN и напрежението върху L захранва HBLED. Големината на ILED се установява чрез RS [W]=0,2/ILED [A], като максималната му стойност е 1,2 А. При VIN между 3 и 18 V може да се захранва набор от HBLED с напрежение до 38 V, при надхвърляне на което (например поради прекъсване на веригата) драйверът се изключва автоматично. Чрез постоянно напрежение под 0,4 V на вход CTRL за повече от 2,5 ms, драйверът също се изключва. Димиране се осъществява чрез PWM импулси на същия вход с честота 5-100 kHz. Работният температурен обхват на ИС е -40 ё +85 °С, а размерите й са 3,05 x 1,75 x 1,45 mm.

Ключови понижаващо-повишаващи драйвери
Наименованието им (Buck/Boost LED Driver) се дължи на възможността чрез подходящо свързване на външните елементи да се реализира драйвер, който при коефициент на запълване d<0,5 работи като понижаващ, при d>0,5 - като повишаващ и при d=0,5 изходното напрежение е равно на входното. Принципен недостатък на структурата е отрицателното изходно напрежение при положително входно, но той е без особено значение за драйверите за HBLED. Една типична схема на свързване с незамасен RS е дадена на фиг. 4. При отпушен транзистор протича ток от VIN през RS и бобината L, като натрупва магнитна енергия в нея. Запушването му променя веригата на ILED, който се осигурява от енергията в бобината и протича през диода, HBLED и RS. Характерен пример е драйверът МР2483DQ на Monolithic Power Systems (MPS), който има вграден мощен транзистор (RDson = 0,28 W) и работи със захранващо напрежение между 4,5 V и 55 V, като автоматично се изключва при намаляването му до 3,3 V. Чрез замасен резистор RS [W] = 0,198/ILED [A] се установява токът на ILED на HBLED с максимална стойност 2,5 А. Външен делител задава максималното напрежение върху HBLED, при надхвърляне на което ИС се изключва. Честотата fS на драйвера в границите 200 kHz - 1,3 MHz се определя от външен резистор. При постоянно напрежение на входа EN под 0,6 V драйверът се изключва чрез регулиране на постоянното напрежение между 0,7 и 1,4 V се осъществява аналогово димиране, а чрез PWM импулси с по-голяма амплитуда и честота 100 Hz – 2 kHz се осигурява PWM димиране. Работният температурен обхват на драйвера е от -40 до +85 °С, а размерите са 3,1 x 3,1 x 1mm.

Ключови универсални драйвери
Те позволяват чрез различни свързвания на външните елементи да се реализират 3 до 5 различни драйвери, сред които почти задължително са вече разгледаните. Към тях се прибавят един или два от следните.
Драйвер SEPIC – понижаващо-повишаващ, но с еднаква полярност на изходното и входното напрежение за сметка на използването на две бобини, поради което има по-скоро принципно, отколкото реално значение за захранването на HBLED.
Драйвер на Чук (Cuk LED Driver) - понижаващо-повишаващ с различна полярност на изходното и входното напрежение и две бобини. Също с ограничено реално приложение за захранване на HBLED.
Драйвер с галванично разделяне (Flyback LED Driver) – чрез трансформатор HBLED са галванично отделени от входното напрежение. Към това принципно предимство спрямо останалите драйвери се прибавя и възможността за формиране на две или повече независими една от друга вериги за захранване на HBLED с различни напрежения. Въпреки това, наличието на трансформатор ограничава масовото им използване за HBLED.
Особеност на ключовите универсални драйвери е ползването само на външни мощни транзистори, тъй като реализацията на различни схеми определя и разлики в начина на тяхното свързване.
В табл. 3 са дадени примери за универсални драйвери, като този в ред 2 е синхронен и може да осигурява ILED до 30 А. В драйверите на редове 2, 3 и 5 резисторът RS за задаване на ILED е замасен, а честотата fS се програмира чрез външен резистор, докато  в останалите той е незамасен и честотата е фиксирана. Драйверът в ред 1 позволява контролиране на температурата на HBLED чрез делител от резистор и термистор. Той се изчислява така, че до желана температура да дава напрежение над 625 mV, при което през HBLED протича зададеният ток ILED. Над тази температура напрежението и токът плавно намаляват и при достигане до 440 mV токът става 0,1ILED, като запазва стойността при по-нататъшно повишаване на температурата.

Драйвери с галванично разделяне
Галваничното разделяне определя приложението на тези драйвери само за захранване на HBLED от електрическата мрежа. Пример е серията LNK403-409 на Power Integration с вграден мощен транзистор и опростена схема на свързване на фиг. 5.
Мрежовото напрежение VLN може да е от 85 до 308 V и чрез мостовия токоизправител GR се превръща в постоянно за захранване на първичната намотка на трансформатора през MOS транзистора Т. С помощта на правоъгълни импулси с честота 66 kHz от генератора, вграден в блок CONTROL, напрежението се накъсва от Т и намалената му стойност в едната вторична намотка се изправя от D1-C1. Така полученото постоянно напрежение захранва HBLED, а стойността му се поддържа постоянна чрез подаване на вход FB на пропорционалното на него постоянно напрежение от другата вторична намотка, D2 и С2. Резисторът R осигурява минимално необходимата за стабилна работа консумирана мощност със стойности между 6,5 и 18 W (в зависимост от конкретната ИС от серията). Важна особеност е, че чрез действието си блокът CONTROL осигурява к.п.д. над 85% и cosj>0,9. Делителят R1-R2 на вход V подава напрежение, пропорционално на мрежовото, което изключва драйвера при негова стойност под 85 V и над 308 V. Температурната защита в блока изключва драйвера при температура на кристала 142 °С и отново го включва при 67 °С. Максималната електрическа мощност на HBLED е между 12 и 50 W в зависимост от конкретната ИС. Предимство на драйвера е възможността му да работи нормално при наличие в мрежата на използваните за класически осветителни тела димери със симетричен тиристор. Допустимата температура на кристала е
-40 ё +150 °С, а размерите на ИС са 10,3 x 8,3 x 2,1 mm.

Резонансни драйвери
Основното предимство на този тип драйвери е значително по-големият к.п.д. в сравнение с останалите видове, което прави използването им за HBLED рационално, въпреки сравнително сложната схема, съдържаща трансформатор, трептящ кръг (той определя наименованието Resonance LED Driver) и два външни мощни транзистора. Пример е драйверът TPS92020 на TI, който работи с VIN = 11,5 - 18  при консумиран ток 5 mA. Честотата fS може да се задава в границите 30 - 350 Hz чрез тока на специален извод, а работната температура на кристала е -40 ё 125 °C.

Линейни драйвери
Този последен вид драйвери (Linear LED Driver) изисква най-малък брой външни елементи без бобини и трансформатори, което определя минимална заемана площ и е предпоставка за ниска цена. Същевременно върху тях по принцип се разсейва по-голяма мощност, което не позволява работата с големи VIN (засега липсват линейни драйвери за непосредствено захранване от мрежата чрез мостов токоизправител) и ILED. Основната структура на линеен драйвер е дадена на фиг. 6, в която постояннотоковият стабилизатор REC осигурява напрежението VDD за работа на останалите блокове и опорното напрежение VREF. На инвертиращия вход на операционния усилвател постъпва напрежението върху RS, благодарение на което се установява ILED=VREF/RS и стойността му се поддържа с точност няколко процента. Транзисторът Т може да е вграден в ИС (драйверите на редове 2 и 4 в табл. 4) или външен (ред 3) и в по-редки случаи биполярен (ред 4).
Чрез PWM импулси с логически нива VPWML и VPWMH на вход PWMD и блок CONTROL се осигурява димиране, като Т се отпушва и запушва с достатъчно голяма честота. Блокът TSD чрез CONTROL изключва драйвера при температура на кристала над определен праг ТОТ. Специфична особеност е наличието на драйвери с независимо управление на няколко набора HBLED (3 в драйвера на ред 2 и 4 в този на ред 3), за всеки от които има отделен усилвател, транзистор, RS и вход PWMD, а блоковете REC, CONTROL и TSD са общи.
С още по-проста структура е драйверът на ред 1 в табл. 4, който управлява HBLED в съответствие със схемата на фиг. 7, задава ILED чрез RS и не осигурява димиране.




Top