Новости в интегралните схеми за LED осветление

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2013

Стефан Куцаров

 Динамичното развитие на светодиодното осветление и бързото му навлизане във все повече области на бита и индустрията е пряко свързано с разработката и производството на необходимата елементна база. Основно място в нея заемат мощните LED и специализираните интегрални схеми (ИС) за захранването и управлението им.

Постигането на достатъчен интензитет на излъчената светлина изисква на светодиодите за осветление да се осигурява достатъчна електрическа мощност. При самостоятелен LED токът обикновено е не по-малък от 350 mA, като стойността му е подобна и при няколко последователно свързани светодиода (колони - String) или от успоредно свързани колони.

В последния случай отделните LED обикновено са с ток под 100 mA. Цветът на светлината по обясними причини най-често е бял, но се използват и светодиоди, излъчващи в практически целия видим спектър.

Основното предназначение на ИС е да осигуряват неизменен ток на LED и съответно постоянен интензитет на светлината, към което задължително се прибавят поддържането му при променящи се условия на работа и неговото регулиране.

 Поради това голяма част от ИС реално съчетават функциите на драйвер (Driver) и контролер (Controller), което се отразява в наименованието им – някои производители ги наричат драйвери, а други – контролери, и дори в рамките на описанието на дадена ИС се използват и двете наименования.

Понижаващи драйвери
Те са първият представител на най-масово използваните ключови драйвери, предпочитани поради сравнително малката разсейвана мощност (Total Power Dissipation) Ptot върху тях и съответно по-голям к. п. д. h, съчетани с голям изходен ток (Output Current) ILED и малки нежелани негови относителни изменения (Output Current Accuracy) dILED в проценти.

Като параметър се дава максималната му стойност ILEDmax, която в драйверите с вграден мощен транзистор Т е фиксирана, а в тези с външен Т се установява чрез резистор. Наименованието понижаващ драйвер (Step-Down LED Driver, Buck LED Driver) следва от използваната схема на постояннотоков ключов стабилизатор и означава, че тяхното изходно напрежение VOUT, прилагано върху LED, е по-малко от входното напрежение VIN.

Принципът им на действие е както на гореспоменатите стабилизатори с основна разлика осигуряването на неизменен ток през LED. Неговото получаване се изяснява от опростената блокова схема на понижаващ драйвер на фиг. 1, в която бобината L, диодът D, NMOS транзисторът Т и управляващият блок Contr са класическите елементи на ключов стабилизатор.

В Contr е вграден генератор PWM на правоъгълни импулси с широчинноимпулсна модулация (ШИМ), чиято честота fLX в част от драйверите е фиксирана, а в други се задава чрез резистор, кондензатор или се подава от външен източник (напр. ИС в ред 4 на табл. 1). Импулсите се получават на извод LX и управляват Т, чийто дрейнов ток е същевременно ILED на LED и създава върху Rs напрежение VSENSE (Current Sense Voltage).

Всяка нежелана промяна на ILED и съответно VSENSE чрез Contr предизвиква изменение на коефициента на запълване (Duty Factor) DLX на импулсите на генератора – увеличаването на ILED го намалява и средната съставка на импулсите също се понижава, което предизвиква възстановяване на тока.

Това е механизмът за поддържане на неизменен ILED във всички ключови драйвери. В документацията на ИС се дават препоръчваните граници на DLX за осигуряване на това действие. Неизменният ток се запазва и при късо съединение на един или всички LED на практика е защита на драйверите срещу късо съединение (Short LED Protection).

Действието на резистора RLIM е подобно на Rs, но чрез него Т се запушва при достигане на тока на изключване (Current Limit), който е с няколко десетки проценти по-голям от ILEDmax. В част от ИС резисторът липсва, а Rs е свързан на неговото място. Това опростява схемата на Contr и улеснява охлаждането на Rs, тъй като е свързан непосредствено към маса и съответно към радиатора на драйвера.

Важна практическа особеност е, че VOUT на ИС може да е в широки граници в зависимост от броя на LED в колоната и цвета им, което от своя страна определя възможността за свързване към ИС на колони с различен брой и вид на LED.

Единственото условие е напрежението върху колоната да не надхвърля максимално допустимото VOUT, което обикновено е с 1-2 V по-малко от VIN. Полезно е да се знае приблизителната зависимост VOUT»DLXVIN, която показва, че DLX зависи от свързаните LED.

Сред факторите за получаване на голям h са малкото съпротивление RLX на отпушения Т и неголемият консумиран ток IINQ на ИС от VIN.

За разширяване на приложенията на ИС, освен осигуряването на ILED=const, те имат и различни допълнителни възможности. Една от тях е т. нар. димиране (Dimming), което означава промяна в широки граници на интензитета на светлината от LED чрез ILED. Тя се характеризира чрез отношението (Dimming Rate) DDIM на максималния и минималния DLX и съответно на най-големия и най-малкия интензитет на светлината на LED.

 Димирането се осъществява чрез постоянно напрежение (DC Dimming, Analog Dimming), ШИМ импулси (PWM Dimming) с честота между няколко стотици Hz и няколко kHz или и чрез двата сигнала, които се подават на един вход (ADJ на фиг. 1) или на два входа. Трябва да се има предвид, че димирането с постоянно напрежение (аналогово димиране) има DDIM под 100:1, докато при това с PWM се достига до 3000:1.

Обикновено ИС съдържат блок за изключването им при температура на кристала над дадена стойност TSD (Thermal Shutdown Temperature), а включването се осъществява при температура с няколко десетки градуса по-малка, като разликата между двете е параметърът Thermal Shutdown Hysteresis.

Друг използван блок е за включване на ИС при нарастване на напрежението VIN над определена стойност (Undervoltage Lockout) UVLO, обикновено с десетина процента под минималното VIN. При работа на ИС и намаляване на VIN със стойност 0,1-0,2 V под UVLO, представляваща UVLO Hysteresis, тя се изключва. Част от ИС имат вграден линеен постояннотоков стабилизатор за захранване на маломощни LED или външни схеми с типичен максимален ток няколко десетки mA.

И не на последно място е блокът за изключване на ИС чрез подходящо логическо ниво на разрешаващия вход (обикновено Enable, EN), при което тя преминава в режим “очакване” (Standby Mode) с типичен консумиран ток няколко uA.

За подобряване на охлаждането често в корпуса на ИС е вградена метална пластинка (Thermal Pad), чрез която той може да се закрепва върху радиатор.

В табл. 1 са дадени основните параметри на типични ИС на понижаващи драйвери. Съществена особеност, отнасяща се до всички ключови драйвери, е липсата в каталога като параметър на максималния h, тъй като се дава семейство графики за неговата зависимост от ILED (при определен ток h е максимален) и VIN (h намалява при понижаването му, както и на VOUT).

Честотата fLX на ИС от ред 1 се задава чрез външен резистор със съпротивление 20-240 kW. Токът ILEDmax в ИС от ред 2 се определя от външен Rs със съпротивление 0,1/ILED[A], W. Особеност на ИС от ред 3 е зависимостта на DLX от TJ, поради която ILED започва плавно да намалява при повишаване на температурата.

Така се избягва въвеждането на контрол на температурата на LED, най-често с термистор.

Структурата на синхронните драйвери осигурява по принцип по-голям h в сравнение със схемите на основата на фиг. 1, но те се използват сравнително рядко поради необходимостта от два мощни транзистора. Пример е ИС от ред 4, която с подходящи NMOS транзистори може да осигури ILED до 20 А, а fLX се задава чрез резистор.

При нормална работа на драйверите тяхното VOUT не трябва да надхвърля определена стойност (зависеща от VIN), например поради голям брой LED във веригата при прекъсването й (Open LED Detection) или тяхната липса. За избягване на нежелани повреди на драйвера, както и за използването му за зареждане на литиево-йонни и оловни акумулатори и на суперкондензатори, някои ИС имат допълнителна възможност да преминават в режим на стабилизация на напрежение.

Сред приложенията им е и реализацията на стабилизатори на постоянно напрежение с токоограничение. Пример е дадената в ред 5 ИС, която се превключва в този режим при изходно напрежение над фиксирана стойност и дава съответното логическо ниво на специален изход, а при друга по-голяма стойност на друг извод се получава логическо ниво за “повреда”.

Стойността на fLX на ИС от ред 6 се задава чрез външен кондензатор, а драйверът в ред 7 работи с фиксирано време на запушен Т (Off-Time) и следователно при промяна на DLX се изменя и fLX.

Най-добро охлаждане на LED се постига чрез замасяване на техния анод и съответно непосредственото му свързване към радиатора, но това изисква отрицателно VIN. Пример за такава ИС е дадената в ред 8, която има и допълнителен извод за настройка на ILED чрез външно постоянно напрежение за компенсиране на производствените толеранси на LED.

Един от методите за регулиране на цветната температура на излъчваната бяла светлина е смесването й в подходящо отношение с няколко десетки пъти по-слаба червена светлина. Дадената в ред 10 ИС съдържа необходимите за целта два драйвера, като този за червената светлина е линеен с ILED=20 mA.

Тя позволява чрез I2C интерфейс цветната температура да се настройва при производството на осветителни тела и след това данните се записват във вградена памет с еднократен запис (OTP ROM). В ред 9 е дадена ИС с минимален брой външни елементи, която е част от набор с различаващи се само по ILEDmax ИС – ZLED7320 за 1А, ZLED7520 за 0,75 А и ZLED7720 за 0,5 А.

Понижаващите драйвери освен за всякакъв вид осветление (битово, автомобилно, улично, градинско, в тунели, аварийно, индустриално, архитектурно и на търговски обекти) се използват и за мощни светкавици, в скенери, прожекционни апарати и за сигнално осветление на самолети и кораби.

Повишаващи драйвери
Наименованието им (Step-Up LED Driver, Boost LED Driver) показва, че имат VOUT>VIN, което се постига чрез същите основни елементи, както на фиг.1, но с друго свързване на бобината. Принципно тяхно предимство е, че позволяват захранване на колони с повече LED, чийто брой трябва да се подбира така, че VOUT да е по-голямо от максималното VIN, с което ИС работи.

При подходяща структура на ИС те могат да имат твърде малко VIN, осигурявано дори от литиево-йонен акумулатор с една клетка. За осветление тази възможност практически не се използва поради малкия капацитет на акумулаторите, който не позволява получаването на достатъчен ILED.

Не са редки случаите на използване на няколко успоредно свързани колони от LED, относителната разлика в чиито токове се дава от параметъра Current Matching с типични стойности няколко процента. Тъй като VOUT е приблизително равно на VIN/(1-DLX) при DLX близко до 1 могат да се получат недопустимо големи негови стойности.

За предпазване на ИС от тях има вградена защита от свръхнапрежение ОVР, прагът на чието задействане обикновено се задава чрез външен резисторен делител, свързан между изхода на вграден източник на опорно напрежение и съответния извод на ИС. Напрежението на последния VFB и формулите за изчисление на делителя се дават в техническата документация.

Основните параметри на типични повишаващи драйвери са дадени в табл. 2. Този в ред 1 е под долната граница на мощните LED, но е включен заради малкото си VIN. Драйверът в ред 2 има 16 извода за свързване към всеки на колона с ILEDmax=50 mA, типична разлика в токовете ±0,7% и VOUT до 45 V.

Той може да работи и с VIN=4,5-13 V чрез подходящо свързване на специален извод на ИС. За 4 колони, всяка със собствен външен транзистор и Rs и независимо задаване на ILEDmax, е ИС от ред 3. При това токът може да се задава не само чрез отбелязаните в таблицата начини, но и посредством напрежение от термистор и сензор за светлина и чрез интерфейсите I2C и SMBus.

Последните дават и изходни данни за задействани защити на ИС. За ИС в ред 4 трябва да се отбележи, че може да работи и с VIN над 100 V при подходящ транзистор. Тя има фиксирано време tOFF=10 us на запушване на изходния транзистор, а промяната на DLX в процеса на работа изменя и fLX.

Характерни приложения на повишаващите драйвери са за осветление на улици и паркинги, за вградени в стената лампи и спотове, за осветление на купетата на транспортни средства. Някои от тях (например ИС в ред 1) могат да се използват и в захранването на преносими апаратури.

Многофункционални драйвери
Тази категория ИС (Multi-Topology Driver) позволява в различни свързвания на основните елементи от фиг. 1, а в някои случаи и в зависимост от стойността на DLX, да се реализират два или повече вида драйвери. Първият са понижаващо-повишаващите (Buck-Boost LED Driver) ВВ с VOUT=DLXVIN/(1-DLX) – при DLX<0,5 драйверът е понижаващ, при DLX=0,5 се получава VOUT=VIN и с DLX>0,5 действието е на повишаващ драйвер.

Пример е ИС в ред 1 на табл. 3 с типични свързвания на фиг. 2, като при съединяване на LED към точка Boost се получава повишаващ драйвер. Когато вграденият в ИС транзистор между изводи LX и PGND има поведение на затворен ключ от VIN, през R1(това е Rs) и L1 протича ток, който натрупва в бобината магнитна енергия, а SD1 е запушен.

При отварянето на ключа полярността на напрежението върху L1 се сменя, то се прибавя към VIN, SD1 се отпушва и сумата от двете напрежения се подава на LED. За показаното на фиг. 2 свързване натрупването на енергия върху L1 е същото, но при отваряне на ключа и отпушване на SD1 тя се прилага върху LED – при DLX<0,5 енергията е малка и VOUT<VIN, докато при DLX>0,5 тя е голяма и VOUT>VIN.

В това свързване двата резистора RGI2 определят напрежение на извод GI, равно на 0,5VADJ, с което се получава максимален к. п. д.

Драйверите SEPIC (SEPIC LED Driver) SP имат същата зависимост на VOUT от DLX, както при ВВ, но тук VOUT не сменя полярността си при DLX>0,5. Това улеснява свързването на LED, но изисква две бобини в схемата.

Драйверът от ред 2 на табл. 3 може да работи и като стабилизатор на напрежение. Към дадения в ред 3 могат да се свързват колони LED с напрежение до 52 V, а с използване на подходящи външни транзистори те могат да имат мощност над 100 W. Специфична особеност на драйвера от ред 4 е наличието на вход SYNC за синхронизиране на работата на няколко ИС.

Напрежението VIN на драйвера в ред 5 се получава от мрежата (85-265 V) чрез мостов токоизправител, а входът за димиране може да работи със стандартни димери. Последният драйвер (ред 6) осигурява VOUT = 3-24 V и освен за осветление може да се използва за подсветка на OLED дисплеи и в светкавици.

Характерни приложения на многофункционалните драйвери са в класически осветителни тела, за улично, индустриално и декоративно осветление, сигнализация и маркировка по улици и пътища, за захранване на LED колони със заземен анод, в постояннотокови стабилизатори на напрежение с токоограничение.

Линейни драйвери
Този тип драйвери (Linear LED Driver) имат познатото от линейните стабилизатори на напрежение предимство на липсата на бобина и недостатък - по-голямата Ptot, която ограничава стойността на ILEDmax. Опростената им структура е на фиг. 3, като Т работи в линеен режим и може да е биполярен транзистор.

Токът ILED през него обуславя пад на напрежение VDO и разсейвана мощност VDOILED, която е основната част от разсейвана мощност върху драйвера. При използване на MOS транзистор вместо VDO като параметър се дава неговото съпротивление в отпушено състояние RDS(on).

Благодарение на малките VDO в част от съвременните ИС те имат h от същия порядък, както на ключовите драйвери, но в други той е по-малък и затова не се дава като параметър. По същата причина и заради малкото VFB може да се приеме, че напрежението върху LED е равно на VIN, т. е. допустимият им брой в колоната е пропорционален на максималното входно напрежение.

Същият ток протича през външния резистор Rs и създаденото върху него напрежение на единия вход на операционния усилвател ОА е равно на напрежението на другия му вход.

При отсъствие на блока Contr (той съществува само в ИС на редове 1 и 4 на табл. 4) на другия вход се подава опорното напрежение VFB от блока REF. Поради действието на ОА се установява VFB=RsILED, което означава задаване на ILED чрез съпротивлението на Rs. При наличие на Contr вместо VFB на ОА се подава напрежение DLXVFB, което променя чрез DLX на импулсите на входа PWM при тяхна типична честота около 1 kHz.

В този случай токът ILED се регулира чрез DLX (димиране), а ILEDmax е при DLX=1. Когато проводниците от източника на VIN до LED са дълги, се препоръчва поставянето на кондензатора С с капацитет от десетина nF до няколко uF. Блокът Contr съдържа и защитите на ИС, например я изключва при достигане на TSD и намаляване на VIN под UVLO.

Всички ИС от табл. 4 са с външен Rs. Особеност на тази от ред 1 е, че съдържа 4 структури като тази на фиг. 3, но с общ REF. Това позволява свързването на 4 колони LED с независимо димиране - например по една червени и сини LED и две със зелени за получаване на светлина с желан цвят и неговото регулиране.

В Contr се съдържа патентовата схема за промяна на VIN при различен ILED, с което се намалява Ptot. В ИС от ред 2 като ОА се използва схема с биполярни транзистори, която позволява чрез външен термистор да се осигури практически неизменен ток през LED при промяна на температурата им.

Токът ILEDmax на ИС от ред 3 се получава при подходящ външен Т, а извод PWM се използва и за изключване на ИС чрез негово напрежение под 0,35 V. Малкото VIN на ИС от ред 4 позволява захранването само на един LED, а импулсите на вход PWM могат да са с честота между 200 Hz и 500 kHz.

Последната ИС в таблицата има извод COMM за индикация чрез високо логическо ниво на работещи LED и получаване на ниско при изключването им (включително при задействане на топлинната защита).

Приложенията на линейните драйвери са в битово, индустриално, архитектурно и аварийно осветление, това на вътрешността на превозни средства, в медицината, както и за реализация на източници на ток.

Контролери за непосредствена работа от електрическата мрежа
Напрежението на разгледаните дотук драйвери се осигурява от електрическата мрежа чрез подходящ токоизправител и по-рядко чрез непосредствено свързване към пробиващите си път нисковолтови постояннотокови мрежи.

И в двата случая това е свързано с усложнения, което е причината за сериозното развитие на схемите за непосредствена работа от електрическата мрежа, чиято ИС представлява контролер (Off Line Controller) и определя наименованието им (вместо драйвер).

По-често структурата им се основава на масово използваните стабилизатори на напрежение с галванично разделяне и натрупващ кондензатор (Flyback Converter) със споменатото вече видоизменение за осигуряване на неизменен изходен ток, а наименованието е Flyback LED Driver.

 Тяхната опростена схема е на фиг. 4 и в нея могат да се използват ИС на контролери в редове 3,4 и 6 - 9 от табл. 5.

Мрежовото напрежение UL обикновено е 85-265 V (в някои случаи достига 277 V), което позволява на драйвера да работи с всички съществуващи променливотокови мрежи. Чрез мостовия токоизправител Gr и кондензатора С то се превръща в постоянно напрежение VIN, което чрез токоизправителя REC1 осигурява постоянното захранващо напрежение (Supply Voltage) VCC на Contr.

В някои драйвери REC1 е свързан към допълнителна намотка на трансформатора Tr, която освен това позволява чрез вградения в Contr нулев детектор (Zero Cross Detector) транзисторът Т да се включва само при преминаване на мрежовото напрежение през нулата за намаляване на разсейваната мощност върху него.

На изхода G на Contr се получават ШИМ импулсите с честота fLX на вградения генератор за управление на работещия в ключов режим Т.

В някои ИС стойността на fLX се задава чрез външен резистор. Импулсният ток през първичната намотка w1 на Tr индуцира напрежение в w2, което чрез токоизправителя REC2 захранва LED. Всяка промяна на неговия ILED предизвиква изменение на тока през w1 и на напрежението върху Rs, то постъпва на вход CS и както в ключовите драйвери осигурява промяна на DLX на импулсите и възстановяване на ILED.

Част от ИС имат блок за активна корекция на cosj (Active PFC), чрез който стойността му PF се установява близка до 1. Важна особеност е, че ILEDmax=nIDm, където n=w1/w2 e коефициентът на трансформация на Tr и IDm е максималният дрейнов ток на Т.

Следователно ILEDmax зависи не само от Т, но и от n, поради което не е параметър на ИС. Вместо него някои производители дават мощността PLED на захранваните LED.
За предпазване на драйверите от повреда в Contr са предвидени блокове за защита ОVР чрез запушване на Т при VOUT над определена стойност, задавана чрез външен резисторен делител, при ILED над друга стойност (Over Short Circuit Protection, OSCP), при прекъсване на веригата на LED, както и вече споменатите, задавани чрез параметрите UVLO и TSD.

В някои ИС към TSD се прибавя запушване на Т при по-малка температура (Over Temperature Protection, OTP), чиято стойност се задава от термистор.
Идея за втората структура на драйвери е дадена на фиг. 5 и в нея могат да се използват ИС на контролери от редове 1, 2 и 5 на табл. 5.

В схемата T, D, L и CB образуват понижаващ ключов стабилизатор с входно напрежение VCC, чиято стойност зависи от UL и което осигурява ILED по същия начин, както в схемата на фиг. 1. Аналогично е и предназначението на вход ADJ.

За сметка на липсата на Tr цялата схема заедно с LED може да се окаже свързана с фазата на мрежата, поради което приложенията са само за фабрично вграждане в осветителни тела. За подобряване на cosj между Gr и точка VCC се поставя допълнителна схема (вж. документацията на ИС от ред 1 на табл. 5).

Контролерите са сравнително сложни ИС с многобройни параметри на блоковете им и на ИС като цяло. В табл. 5 са дадени малка част от тях. Приложенията на контролерите са за реализация на драйвери за вграждане в осветителни тела на битовото, индустриалното и декоративното осветление и за сигнализация.

Top