Драйвери и контролери за LED осветление

Стефан Куцаров

Cветодиодното (LED) осветление вече е част от ежедневието и относителният му дял продължава да нараства.

В продължение на почти десетилетие сп. Инженеринг ревю редовно отразява различни аспекти на неговото развитие и поради важността му продължава да поддържа тази линия. ("Драйвери за светодиоди", бр. 2/2009 г., "Мощни светодиоди", бр. 7/2009 г., "Новости в елементната база за LED осветление", бр. 5/2012 г., "Новости при интегралните схеми за LED осветление", бр. 3/2014 г., "Новости в компонентите за LED осветление", бр. 8/2014 г.)

В зависимост от конструкцията съществуват 3 основни вида драйвери – интегрални схеми (ИС), модули за вграждане и прибори, като терминът драйвери (LED Driver) се отнася за първите две, а поради естеството на модулите често те се наричат Internal Drivers.

Приборите е по-правилно да се наричат драйвери/захранвания (LED Drivers&Power Supplies, LED Driver/Supply), като друг използван термин е External Driver. Те не са обект на настоящата статия.

В литературата не съществува точно разграничаване между драйвери и контролери за LED. По принцип контролерите са ИС като съставна част на драйверите и често се наричат LED Driver Controller, но в някои каталози се ползва терминът LED Driver IC. Не са редки и случаите "контролер" да се използва за означаване на схема или модул на драйвер, който съдържа ИС на контролер.

В статията е прието разделянето на ИС на контролери и драйвери да е в зависимост от начина на реализация на мощния им транзистор – в контролерите той е външен, а при драйверите е вграден в тяхната ИС.

Разгледани са ИС и модули с пазарен дебют след 01.01.2015 г., но трябва да се има предвид, че производителите продължават да предлагат широк спектър от по-рано създадени прибори с възможности за пълноценно използване в нови изделия.

Видове драйвери
Два са основните начина за класификация на драйверите – според вида на напрежението UIN на захранващата ги мрежа и според вида на тяхната изходна величина.

Драйвери според вида на U_IN. Те са две групи - драйвери за променливотокови мрежи и драйвери за постояннотокови мрежи. Тъй като в първата група мрежи освен класическите и масово използвани навсякъде (AC Mains) съществуват и нисковолтови, има две категории драйвери за тях.

Принципът на свързване на драйверите за променливотокови мрежи е дадена на фиг. 1, като мостовият токоизправител Rect осигурява постоянното входно напрежение UR с няколко процента по-малко от амплитудата на мрежовото.

Препоръчваното (без да е задължително) стъпало PFC (Power Factor Correction) за повишаване на фактора на мощност може да е самостоятелен блок преди LED Dr или да е вградено в него. В повечето случаи между Rect и LED Dr има LC филтър за намаляване на смущенията от драйвера към електрическата мрежа и практически винаги ограничител на отскоците в мрежовото напрежение, реализиран обикновено с метал-окисен варистор (Metal-Oxide Varistor, MOV).

По своята същност LED Dr е комбинация на постояннотоков стабилизатор (обикновено ключов и сравнително рядко линеен) и стъпало за осигуряване на желаната стойност на изходната величина за захранване на светодиодите LEDs, което се постига чрез веригата FB.

Продължава масовото използване на стабилизатори с галванично разделяне (Isolated SMPS) на LED от захранващата мрежа поради възможността да осигурят малка стойност на постоянното си изходно напрежение и съответно ползването на нисковолтови електронни елементи независимо от нежеланото наличие на високочестотен трансформатор.

В драйвери с такива стабилизатори и изходна мощност POUT до около 50 W в едно стъпало обикновено са обединени PFC и схема Flyback, докато за по-големи мощности корекцията е отделно стъпало и освен Flyback се използва и LLC Resonant Converter.

Нарастващият относителен дял на високоволтовите градивни елементи на достъпни цени твърде бързо увеличава количеството на драйверите, ползващи стабилизатор без галванично разделяне (Non-Isolated SMPS), чиято липса на трансформатор улеснява вграждането им в малки осветителни тела.

При желание за регулиране на интензитета на светлината на LED (димиране) между AC Mains и Rect се свързва съответният блок (димер, Dimmer). Съществуват драйвери с автоматично разпознаване на наличието на димер, обикновено наричани Dimmable LED Drivers.

За малко разпространените, но постепенно добиващи популярност нисковолтови променливотокови мрежи, обикновено с напрежение 12 V или 24 V 24 V АС, също се предлагат драйвери, които отново са със структурата на фиг. 1. Основните разлики от тези за класическите мрежи са липсата на стъпало за PFC, практически задължителните стабилизатори без галванично разделяне и обикновено липсата на димиране.

Поради възможността Rect да осигурява UR и при постоянно UIN, реално тези драйвери могат да се използват и в нисковолтови постояннотокови мрежи, което определя наименованието AC/DC LED Driver. Освен по-простото и безопасно сервизно обслужване предимство е намаленият брой и по-ниската цена на елементите, а типичен пример за приложението им е за източници MR16.

Осветлението в новопроизвежданите автомобили вече почти изцяло е с LED, тъй като през последните години бяха преодолени някои затруднения при ползването им във фаровете и за него се ползва съществуващата нисковолтова постояннотокова мрежа. Постепенно, макар и не особено бързо, се разширяват приложенията на нисковолтовите постояннотокови мрежи в индустрията и бита – към добре известните за сигнализация и за осветяване на неголеми площи (Accent Lighting) започва да се прибавя и архитектурното осветление.

Неголемите стойности на UIN (до 75 V) отново определят използването на стабилизатори без галванично разделяне (освен ключови значителни са приложенията и на линейните) и липсата на PFC, но димирането е широко застъпено и се реализира като блок на драйверите.

Драйвери според вида на изходната величина. За осигуряване на постоянен интензитет на светлината независимо от нежеланите промени на захранващото напрежение и температурата е необходима неизменна стойност на постоянния ток на LED.

Тя се осигурява от токови драйвери (Constant Current Driver, CC Driver), чието входно напрежение UIN (фиг. 2а) може да е постоянно или променливо. За осветяване на големи площи, вкл. разположени на различни места и съответно изискващи голяма електрическа мощност, понякога се ползват напрежителни драйвери (Constant Voltage Driver, CV Driver), чието неизменно постоянно напрежение Uo (фиг. 2б) се подава на отделни токови драйвери за по-малка мощност.

Третата група са драйвери с възможност за работа по двата начина (CC and CV Mode), които до определен изходен ток са токови и при надхвърлянето му автоматично се превключват в напрежителни - пример е LD570-58 на Emerson Network Power.

Интегрални контролери
Реализацията на драйвери с дискретни мощни транзистори и ИС на контролери (Contr) обяснява основното приложение на последните в осветителни тела с голям интензитет на светлината, консумиращи съответно значителен ток и работещи с класически променливотокови мрежи.

Контролери за драйвери с галванично разделяне. Същността на свързването на контролерите се изяснява чрез опростената блокова схема на драйвер фиг. 3а. Разделянето се осъществява от Tr, в първичната намотка на който има правоъгълни импулси с амплитуда приблизително UR, чиято модулация (най-често широчинноимпулсна, ШИМ, PWM) и честота се определят от Contr.

Токът през намотката, на който е пропорционален този през LED, се фиксира от резистора R, чието напрежение чрез вход CS постъпва в съответния блок на Contr. Това свързване е известно като Primary-Side-Control (PSC), а елементите D и C са токоизправител.

В зависимост от схемата на Contr той може да има и множество допълнителни функции например защити от негово захранващо напрежение UDD под минимално допустимата стойност (Brown-Out Protection) BOP, от UIN извън определени граници (Line Under/Overvoltage Protection) LVP или такова само под определена стойност (Under Voltage Lock Out) UVLO, от недопустимо голямо изходно напрежение (Output Overvoltage Protection) OVP, от недопустимо голям ток на Т (Over-Current Protection, Primary-Side Over-Current Protection) OCP, от късо съединение на изхода (Output Short-Circuit Protection) SCP (или OSCP), замествана в някои драйвери от защита при късо съединение на намотка на Tr (Winding Short-Circuit Protection) WSCP и от прегряване (Over Temperature Protection) OTP. В част от драйверите действието им автоматично се възстановява след премахване на регистрирано късо съединение или намаляване на температурата.

Съществува значително разнообразие в схемите на контролерите, но представа за действието им може да се добие от опростената структура на фиг. 3б. Същността й е генераторът PWM Gen, от чиито импулси чрез изходното стъпало OS се получават необходимото напрежение и ток (често до 1А) за гейта на транзистора Т. Чрез вход CS/ZCD в блоковете ОСР и ОVР генераторът "следи" максималните стойности на изходните ток и напрежение на драйвера, а чрез вход АС – мрежовото напрежение. Вход UDD е за осигуряваното от драйвера захранващо напрежение, а блок UVLO позволява работата на ИС при достатъчна негова стойност.

В табл. 1 са дадени основните характеристики и параметри на типични ИС на описаната категория контролери за драйвери с ползваното у нас мрежово напрежение, като тези на редове 2 и 3 съдържат блок за PFC, другите два са без него и даденият на ред 1 е с външно подаване на импулси с PWM. В колона 2 е броят на моделите в серията, част от която е даденият.

Напрежението UDD се получава от непоказана на фиг. 3а намотка на Tr и подобен токоизправител на този за LED, а IDD (или IVDD) е консумираният от ИС ток. С UOCP е означено напрежението на вход CS/ZCD за задействане на максималнотоковата защита, а ТОТР е температурата на кристала за задействане на защитата от прегряване.

В следващата колона са напрежението UG за включване на транзистора Т, препоръчваната изходна мощност (Output Power) POUT, която контролерът заедно с подходящ транзистор може да осигури на LED, честотата fSW на PWM импулсите и PF.

От множеството неотразени в таблицата параметри ще бъде споменат само коефициентът на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) THD, чрез който се отразяват нежелано въвежданите нелинейни изкривявания (добре е те да са под 10%) в синусоидата на LED осветлението на променливотокови мрежи.

Контролери за драйвери без галванично разделяне (Non-Isolated Off-Line Controller). Структурата на тези драйвери е аналогична на фиг. 3а, но вместо Tr има бобина и за осигуряване на UDD тя е с допълнително прибавена индуктивно свързана намотка.

Пример за контролера на такъв драйвер е МР4056 на Monolithic Power Systems (MPS). С PFC=0,97 и THD=5% е контролерът НV98101 на Microchip, чиито размери 2,7x1,3x0,89 mm позволяват вграждането му в LED лампи до 15 W, работещи с мрежово напрежение 196-265 V. Съществуват контролери за реализация и на двата вида драйвери, каквито са МР4060 на MPS и NCL30288 на ON Semiconductor.

Контролери за нисковолтови постояннотокови мрежи. Техният относителен дял е твърде малък, а един от характерните примери е R1580N Series на Ricoh Electronics, съдържаща 4 модела. Те работят с UDD=3,6 V - 34 V и външен PWM генератор за димиране между 1% и 100%.

Типичен пример с приложения в индустриалното, сградно и автомобилно осветление е MAQ3203 на Microchip с UDD = 4,5-42 V, димиране също чрез външни импулси и размери 4,93x3,94x1,48 mm. Производителят предлага и модела АТ9933 за UDD до 75 V с димиране 0%-100%, напрежение за LED под или над входното и размери 4,9x3,9x1,65 mm.

Контролери за високоволтови постояннотокови мрежи. Тези мрежи са все още със специфични приложения и затова ще бъде споменат само контролерът НV9911 на Microchip Technology с максимално UDD от 250 V, възможност за димиране чрез външни импулси и размери 9,9x3,9x1,65 mm.

Драйвери за променливотокови мрежи
Драйвери за класически променливотокови мрежи. Поради споменатия нарастващ относителен дял на драйверите без галванично разделяне реално само те са сред новостите и съответно са отразени в табл. 2.

Освен вграждането на мощния транзистор производителите се стремят да намалят броя на външните елементи (Low BOM) и да постигнат максимално близка стойност на отдаваната на LED мощност спрямо постъпващата от електрическата мрежа, като отношението на двете е параметърът ефективност (Efficacy) Eff.

Освен споменатите защити в някои драйвери се ползват още такива от липса на товар (Output Open Protection, Open-Loop Protection) OOP (тази липса обикновено води до недопустимо голямо изходно напрежение, поради което другото наименование на защитата е Output Overvoltage Protection) и от превишаване на определена температура на LED (Thermal Fold-back Protection – TFP).

За изясняване на основните параметри на драйверите може да се използва опростената схема на свързването им на фиг. 4а, в която D и S са изводите на вградения транзистор. Неговият максимален ток ID, който реално е и ток на LED, има нежелано относително изменение dID. Транзисторът е с максимално допустимо напрежение дрейн-сорс UDS и има съпротивление в отпушено състояние RDSon. Чрез резистора R3 на фиг. 4а се задава токът на задействане на ОСР.

Драйверът на ред 5 от табл. 2 е сред малкото с вграден мост за намаляване на броя на външните елементи, което се вижда от типичната схема на свързването му на фиг. 4б и определя посоченото му в нея наименование.

Специфичен е драйверът CL8801 на Microchip за захранване на 4 групи LED, които могат да са разположени на различни места. С радиатор всяка от тях има PD=13 W при UD=300 V за три от групите и 400 V за четвъртата, като токът на всяка от тях се задава независимо от останалите чрез резистор. Драйверът няма други външни елементи, а за свързване към електрическата мрежа са достатъчни мост и МОV. Сред останалите му параметри са Eff=85%, PF>0,95, TJ= -55ё+125°C и размери 6x6x0,9 mm.

Драйвери за нисковолтови променливотокови мрежи. Поради споменатите вече причини се предлага малък брой такива драйвери, но те могат да работят и в постояннотокови мрежи. Характерен пример, освен дадения на ред 5 в табл. 2, е МАХ16840 на Maxim Integrated, работещ с UIN=6,5-48 V и осигуряващ ID=2 А. Защитите му са ООР, TFP и ОТР, вграденият мощен транзистор е с UDS=48 V и максимално RDSon от 0,2 W.

Драйвери за постояннотокови мрежи
Предлаганите на пазара драйвери са реално само за нисковолтови мрежи. Използват се в осветлението на жилищни, индустриални и търговски помещения, за архитектурно и аварийно (Emergency Lighting) осветление, такова, осигурявано чрез Етернет (PoE Power Lighting), за реализацията на прибори с повече от един изход за LED (External Driver with Multiple Channels), за индикаторни табла (Indicator Lighting, Sign Lighting), подсветка (LED Backlighting), както и в автомобили.

Последното не се отнася за всички драйвери, а само за тези, в чиято документация е отбелязано това приложение. Освен това по принцип неизменният ток от драйверите може да се подава и на други видове товари, но това изисква внимателна оценка на техните особености, например създаването при работата им на токови импулси или пулсации на тока (Current Ripple) - максимално допустимите се дават в някои от каталозите на драйвери.

Поради неголемите UDD драйверите съдържат (с малки изключения) понижаващи ключови стабилизатори и такива са дадените в табл. 3. Съществуват и драйвери (например дадения на ред 4 от табл. 3), които позволяват да бъдат свързвани и като понижаващо-повишаващи (buck-boost) и повишаващи (boost) със съответното описание на схемите в каталога им. Същността на структурата на драйвери с понижаващи стабилизатори и свързването на техните основни външни елементи са показани на фиг. 5.

Блокът СМ следи чрез RS тока ID на LED и заедно с Contr и мощния транзистор Т осигурява неговата желана неизменна стойност. Димирането се осъществява от блока PWM/Dimm чрез сигнал (постоянно напрежение, правоъгълни импулси с PWM или и двете в зависимост от модела на драйвера) на вход CNTR, който може да има и други функции, например рязко или плавно включване на осветлението.

Блокът ОТР е за температурна защита, а L и D са елементи на стабилизатора. Честотата fSW на импулсите на стабилизатора се ползва при изчисляването на индуктивността на L, а в каталозите се дава препоръчваната й стойност и/или допустимите й граници. Съпротивлението RDSon е на вградения Т. Полезно е да се има предвид, че често се предлагат два или повече корпуса на драйверите с различна стойност на тока ID.

Контролери и драйвери за автомобилни приложения
Независимо от ползването в автомобилите на постояннотокови мрежи реализацията на LED осветлението в тях има някои специфични особености.

Контролери. Практически непознатите в класическите постояннотокови мрежи ИС на контролерите имат своето съществено място в автомобилите, независимо от по-малкия им относителен дял спрямо тези на драйверите.

Един от характерните примери е LT3952Н на Analog Devices с UIN=3-46 V, но осигуряващ за LED изходно напрежение UOUT до 60 V при обхват на димиране 4000:1. При прекъсване на веригата на LED контролерът преминава в режим на стабилизатор на напрежение, което действие е известно като Constant-Current and Constant-Voltage Regulation.

Праговете на защитите се програмират чрез външни резистори, работният температурен обхват е TJ= -40ё +150°C и размерите са 9,7x4,4x1,15 mm. Контролерът ALED6001 на ST Microelectronics позволява реализация на различни схеми на ключови стабилизатори, работи с UIN=5,5-36 V и също има UOUT до 60 V.

Притежава вграден линеен стабилизатор за блока за захранване на външния мощен транзистор, стойността на fSW се задава между 100 kHz и 1 MHz също чрез външен резистор, температурният обхват е както на предния контролер, а размерите са 5x4,4x1 mm.

Драйвери. Сред спецификите им са използването в някои модели на линейни стабилизатори за IOUT (дадените на редове 1 и 3 от табл. 4), още по-подчертаният стремеж за намаляване на броя на външните елементи (драйверът на ред 2 е с вградена бобина и 2 кондензатора и ползва само 4 външни елемента) и споменатото програмиране на праговете на защитите.

Съществуват и множество приложения на контролерите и драйверите извън автомобилите, отбелязвани задължително в документацията им. Сред основните са за осветление в авиацията (Avionic Lighting), морски съдове (Marine Lighting), селскостопански машини (Agriculture Lighting), за декоративно осветление, индикаторни табла и подсветка на дисплеи. Специфично, но не маловажно приложение е вграждането на драйверите в постояннотокови стабилизатори на напрежение, където се изисква прецизно ограничаване на максималния ток.

В табл. 3 са основните параметри на типични драйвери за автомобили, като UOUT е максималното подавано на LED напрежение, което може да е по-голямо от UIN. Особеност на драйвера на ред 1 е много простата му схема и биполярния Т. Този на ред 3 е с 8 изхода и възможност за последователното им активиране с основно предназначение за мигащи светлини (Blinking Lighting) и задно осветление с променящ се интензитет (Tail Illumination).

Модули на драйвери
За тях се използва наименованието LED Module Driver, а в зависимост от UIN съществуват модули за класически променливотокови и за нисковолтови постояннотокови мрежи, като част от първите могат да работят и във високоволтови постояннотокови мрежи.

Масова практика е да се създават серии от модули, моделите в които имат различия в част от параметрите си. Броят на моделите в серията е даден в колона 2 на таблици 5 и 6. По принцип модулите трябва да имат само вход за UIN и изход за LED, но повечето са с допълнителни изводи, главно за задаване на стойността или стойностите на някои от параметрите.

Пример е свързването на модула от ред 1 на табл. 5, дадено на фиг. 6, с два допълнителни извода за потенциометър за димиране. Изводите на модула са букси и всеки от свързващите проводници към тях е с определен цвят. Обикновено модулите са с кутия и отвори за закрепване например в осветително тяло, но има и с открити елементи върху печатната им платка (даденият на ред 1 в табл. 5).

Масова практика, особено в драйверите за класически променливотокови мрежи, е наличието на набор от модели главно с различни UIN, но и с различаващи се IOUT, начини на димиране и някои други параметри. В колона 2 на таблици 5 и 6 е дадено означението на един от моделите в серията и броят им.

Драйвери за класически променливотокови мрежи. В каталозите обикновено се означават като AC-DC LED Driver, а работещите и с постояннотокови мрежи – с AC-DC/DC-DC LED Driver. Значението на основните им параметри е както при съответните ИС, но съществени са прибавяните време за безотказна работа (MTBF) и теглото.

При избора на подходящ за дадено приложение модул е добре да се има предвид съответствието на параметрите му със съществуващите стандарти. Съществен е и начинът на димиране – една от възможностите в част от модулите е чрез интерфейса DALI и/или сензорни бутони.

В табл. 5 са основните параметри на типични модули, като този на ред 5 работи като стабилизатор на напрежение при ток под дадения, докато модулът на ред 6 (наречен Micro Driver) не изисква никакви външни елементи.

Драйвери за нисковолтови постояннотокови мрежи. Реално се предлагат драйвери само на вътрешни и външни нисковолтови мрежи, а действието и параметрите им са аналогични на съответните ИС. Два примера са дадени в табл. 6, като този на ред 2 изисква само един външен кондензатор, но за задаване на IOUT над фабрично установения от 350 mA е необходим допълнителен резистор.