Малогабаритные импульсные источники питания для применения в светодиодном освещении

Одной из основных задач разработки устройств управления светодиодными светильниками, является задача разработки и внедрения малогабаритных импульсных источников питания (ИИП). Если мы имеем дело с малогабаритными светодиодными светильниками, то для получения светового потока в 1200 лм, аналогичного потоку лампы накаливания мощностью 100 Вт, необходимо управлять 12-14 светодиодами, мощностью не менее 1 Вт с номинальной светоотдачей не ниже 100 лм/Вт при рабочем токе 350 мА [1].

При разработке малогабаритных светодиодных светильников возникает проблема отвода тепла, выделяющегося в малом объёме, так как перегрев светодиодов нежелателен. Источником тепла в светодиодном светильнике, кроме самих светодиодов является и сам источник питания. В этом смысле, к ИИП предъявляются жёсткие требования:

• -    изоляция светодиодов от корпуса светильника,

• -    при необходимости гальваническая изоляция светодиодов от схемы управления,

• -    высокий КПД,

• -    малые габариты, обеспечивающие возможность встраивания в корпус светильника,

• -    низкая себестоимость в массовом производстве.

На сегодняшний день, в качестве ИИП светодиодных светильников в основном используются импульсные источники питания (ИИП) [2].

В связи с тем, что реализация современного высокоэффективного, конкурентоспособного

ИИП невозможна без применения ИС, то важен выбор наиболее перспективных микросхем.

Практически все ведущие фирмы-производители электронной компонентной базы (ЭКБ) выпускают управляющие ИС для импульсных источников питания. Номенклатура таких ИС огромна и выбор, как правило, связан с определением отношения – цена/требуемые характеристики. В этой связи интерес представляет, например такая ИС, как LM3445 [3, 4]. Эту ИС выпускают две известные фирмы – National Semiconductor и Texas Instruments (США). Кроме этой ИС, при реализации высокоэффективного ИИП может быть применена такая ИС как TPS92010 (Texas Instruments). Данные ИС мало известны в России и информацию по их характеристикам, и применению сложно найти в отечественной литературе. Как было выяснено, ИС LM3445 [5] обладает весьма широким набором функций, позволяющим гибко реализовывать различные ИИП для большинства светодиодных светильников бытового и промышленного назначения, также для сферы ЖКХ.

Основным отличием микросхемы LM3445 от предыдущих версий является наличие функции плавного управления интенсивностью светового потока с помощью стандартного внешнего диммера с ШИМ. В отличие от LM3445, ИС TPS92010 работает с внешним детектором диммирования.

ИС LM3445 имеет следующие основные характеристики:

• •    работа с диммированным переменным сигалом источника питания,

• •    рабочий диапазон напряжения питания от 6,0 до 8,0 В,

• •    рабочий ток управления светодиодами более 1 А,

• •    настраиваемая частота ШИМ,

• •    адаптивная настройка времени выключенного состояния (паузы сигнала ШИМ), обеспечивающая постоянный уровень пульсаций,

• •    ток питания (в состоянии покоя) не более 3 мА,

• •    возможность построения УП с гальванической изоляцией нагрузки и без гальванической изоляции,

• •    стабильный КПД практически во всём диапазоне рабочего напряжения питания,

• •    наличие тепловой защиты.

Принципиальная электрическая схема ИИП на основе ИС LM3445, выполненного согласно схеме понижающего преобразователя без гальванической изоляции нагрузки представлена на рис. 1.

С учётом специфики работы импульсных источников питания с ШИМ, можно произвести расчёт режимов работы ИС LM3445, а также ряда её внешних навесных компонентов [6].

В качестве исходных данных для расчёта параметров малогабаритного светодиодного светильника, выберем следующие:

• 1 . Диапазон напряжения питания: 90 – 250 В (переменное),

• 2 . Число последовательно включенных светодиодов: 7,

• 3    Прямое падение напряжения на одном светодиоде: 3,6 В,

• 4    Полное падение напряжения на светодиодах: U LED =7 х 3,6=25,2 В.

VD1

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная ИИП малогабаритного светодиодного светильника без гальванической изоляции нагрузки

Начальный режим работы ИС LM3445:

• 1    Номинальная частота работы ШИМ: f SW =250 кГц,

• 2    Номинальный рабочий ток светодиодов: I LED(AVE) =350 мА,

• 3    Изменение тока светодиодов при изменении напряжения питания (обычно от 15 % до

30 % относительно I LED(AVE) ): Δi =0,3 х 350=105 мА,

• 4    Число каскадов корректора фазы выберем N PFC =2,

• 5    Минимальное значение КПД: 80 %.

Согласно ранее полученным данным [7], время выключенного состояния транзистора

VT 3 при номинальном значении напряжения U IN :

1 -

t OFF

п

U LED •------------------

U IN

fSW

Подставляя известные значения [4, 5] в (1), получим:

t OFF

1      25,2

0,8  220   2

250кГц

= 0,0036мс = 3,6 мкс

.

Формула для расчёта времени включенного состояния транзистора VT 3 (минимальная длительность импульса ШИМ):

1 U LED — •-----

_ ^П U N

ONг fSW

Подставляя в (3) численные данные, получим:

0,8 220 • V2

t ON

—---------= 0,0004мс = 0,4 мкс.

250кГц

Минимальная длительность импульса t ON(MIN ) вычисляется подстановкой в (4) максимального значения выпрямленного напряжения питания U IN(MAX) . Проводя вычисления, аналогичные (4), получим t ON(MIN) =0,25 мкс, что не выходит за пределы линейной работы ШИМ ИС LM3445 ( t ON(MIN >0,2 мкс).

Для расчёта параметров дросселя L 1, воспользуемся известными соотношениями, связывающими ток и напряжение на индуктивности [8]. В приближении линейного изменения тока дросселя L 1 (рис. 2), напряжение на светодиодах при закрытом транзисторе VT 3 выразим в виде (5).

U^D = L1 • — LED        A t ’

где Δi – изменение тока дросселя.

Производя перегруппировку в (5) и выражая оттуда L 1, подставляя в (5) соотношение

• (2)    для t OFF , получим соотношение для индуктивности дросселя L 1:

  ^U LED

  
  

  L 1 =

  
  

  . (1 - 1 . U LED ) η U _IN

  
  

  f_SW ⋅ ∆ i

  
  
  
  
  

  Рис. 2. Форма тока, протекающего через дроссель L 1

  
  

Подставляя в (6) значения известных и рассчитанных ранее данных, получим L 1≈860 мкГ.

Если выбрать ток коллектора транзистора VT 2 не более I C =50 мкА, то может быть вычислена величина резистора R 6:

R 6=U LED / I C =25,2/0,05=504 к. Выберем R 6=560 к.

Каскад на транзисторе VT 2 выполняет функцию защиты ИС и мощного МОП-транзистора в случае короткого замыкания цепи светодиодов. Для задания времени включения защиты ИС (выключения ИС), необходимо рассчитать величину конденсатора C 9. следует отметить, что время выключения ИС должно превышать время t OFF . Величина конденсатора C 9 может быть рассчитана из соотношения:

C 9 =

t OFF   LED

Uref • R 6 ,

где – U REF это внутреннее опорное напряжение ИС LM3445, равное U REF =1,276 В.

Подставляя в (7) значения всех переменных, получим C 9=127 пФ, или округляя, выберем C 9=120 пФ.

Для обеспечения требуемого значения коэффициента мощности, в ИИП присутствует пассивный корректор фазы (элементы C5, C6, VD2, VD3, VD4). Заметим, что высокое значение коэффициента мощности в ИИП данного светодиодного светильника не требуется, так как его потребляемая мощность не превышает 9 Вт (коэффициент мощности более 0,8 требуется, как правило, в устройствах светодиодного освещения, мощностью более 25 Вт). Но, тем не менее, в данной схеме ИИП корректор фазы присутствует и обеспечивает коэффициент мощности 0,87. Расчёт элементов схемы пассивного корректора фазы произведён согласно данным, приведённым в [6, 7].

Принципиальная электрическая схема ИИП на основе ИС TPS92010, выполненного согласно схеме понижающего преобразователя c гальванической изоляцией нагрузки представлена на рисунке 3 [9]. В схеме применён внешний детектор диммирования и блок установки опорного напряжения. Этот ИИП построен по стандартной обратноходовой (flyback) схеме, наиболее эффективной в низком диапазоне мощностей [10]. Использование одного трансформатора, высоковольтного (500…600 В) MOSFET-транзистора и одного диода на выходе является в данном применении относительно недорогой конфигурацией [11].

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная ИИП малогабаритного светодиодного светильника с гальванической изоляцией нагрузки

Входной фильтр базируется на стандартном дросселе и двух конденсаторах, обеспечивая разработке соответствие классу «B» по электромагнитной совместимости в соответствии со стандартом FCC. Ток нагрузки измеряется на резисторе R17. Его уровень усиливается усилителем на микросхеме DA1 и подается на вывод 3 микросхемы TPS92010 через оптопару. В соответствии с этим сигналом ИС TPS92010 осуществляет управление работой транзистора VT1. Цепь контроля димминга состоит из двух частей: триггер (транзисторы VT2, VT3), детектирующий диммирование во входной цепи, и усилитель ( VT4), корректирующий отпирающее напряжение для уменьшения тока через светодиоды при работе диммера [12]. Здесь следует отметить, что диммирование как функция и, соответственно, диммер как устройство могут быть использованы при необходимости, обусловленной требованиями уменьшения тока питания светодиодов [13]. Это, в свою очередь, может быть вызвано требованием постоянной работы светодиодного светильника, который в ночное время может быть переведён в экономичный режим с меньшей светоотдачей (уменьшенным током нагрузки). В этой связи диммеры, как устройства можно рассматривать как дополнительные опции, применяемые при необходимости их применения.

Таким образом, в данной статье представлены результаты исследования ИИП, выполненные на двух ИС: LM3445 и TPS92010. Выбор данных ИС для разработки ИИП обусловлен тем, что они позволяют разрабатывать относительно простые, но высокоэффективные импульсные источники питания. Алгоритмы работы управляющих ИС LM3445 и TPS92010 позволяют в широких пределах выбирать схемотехническое построение ИИП, выходящее далеко за пределы схемотехнических решений, приведённых в справочной информации на вышеуказанные ИС. Экономичные и, вместе с тем, высокоэффективные ИИП могут быть применены в малогабаритных светодиодных светильниках как бытового, так и промышленного назначения, включая сферу ЖКХ.

Особенностью ИИП на базе ИС LM3445 и TPS92010 является и то, что некоторые функции, например диммирование, могут быть реализованы как дополнительные опции ИИП. Это позволяет разрабатывать и изготавливать ряд ИИП с разными ценовыми показателями, а устройства, реализующие дополнительные опции могут изготавливаться отдельно и поставляться потребителям в соответствии с их требованиями.