Практическая реализация светодиодного драйвера на микросхемах серии Altair
Проектируем LED-драйвер с помощью микросхем Altair компании STMicroelectronics
«Вестник Электроники», №2 2012
Продолжение. Начало в №4 [2011], №1 [2012]
Воспользуемся основными сведениями о микросхеме HVLED805 и результатами автоматизированного проектирования светодиодного драйвера, описанных ранее в «Вестнике электроники» [1, 2]. По итогам этой работы на рис. 1 представлена принципиальная схема устройства, рассчитанная для питания 11-ваттного светодиода SPHWWTHDD805WHWODD фирмы Samsung в режиме использования 8 Вт, как это позволяет сделать программа автоматизированного проектирования eDesignStudio. В соответствии с паспортными данными прямой ток светодиода при этом должен соответствовать 0,46 А, и прямое напряжение — 17,6 В.
Напомним, что рабочий интервал сетевого напряжения в драйвере составляет 176…264 В. В случае повреждения светодиода выходное напряжение преобразователя не превысит 18 В, что обезопасит от разрушения основные элементы драйвера. Хотя в бюджетном варианте программа онлайн-проектирования предлагала применить наиболее экономичный импульсный трансформатор с магнитопроводом типоразмера ЕЕ13, позволяющий получить требуемый режим использования светодиода, пользовательское принудительное увеличение магнитопровода благоприятно отразилось на энергетических возможностях устройства.
Увеличение мощности светодиодного драйвера
Как можно видеть из соответствующей конструктивной сноски для импульсного трансформатора (рис. 1) на основе магнитопровода ЕЕ16, его первичная обмотка должна содержать 100 витков обмоточного провода диаметром 0,2 мм, вторичная обмотка — 16 витков из сдвоенного литцендрата по 20 проводников диаметром 0,07 мм, обмотка связи — 14 витков провода диаметром не менее 0,024 мм. При этом индуктивность первичной обмотки составляет 2 мГн, а индуктивность рассеяния — 60 мкГн. Рекомендуемый немагнитный зазор на центральном керне магнитопровода, определяющий индуктивные параметры трансформатора, ориентировочно соответствует 0,1 мм, а максимальное значение магнитной индукции — 0,319 Тл. Учитывая значение индукции насыщения 0,39…0,45 Тл для наиболее распространенных ферритов (3C85, N27 и др.), можно предположить достаточный запас для увеличения рабочего тока светодиода от исходного значения 0,45 А. В частности, программа определила (рис. 1), что при указанных намоточных данных трансформатора и динамическом сопротивлении светодиода 2,8 Ом максимальное выходное напряжение преобразователя может составить 18,2 В, а рабочий ток — 0,67 А.
Разумеется, для реализации режима использования светодиода, отличающегося от предложенного программой максимального тока 0,45 А, необходимо пересчитать номинальное сопротивление резисторов, определяющих рабочий режим преобразователя. Прежде всего, данное соображение касается выбора резистора — датчика тока.
Заметим, что в апреле 2012 года программа сменила свое наименование с eDesignStudio на eDesignSuite, одновременно разработчики снизили в программе максимально допустимый ток с 0,45 до 0,38 А, что повлияло на конечные результаты проектирования требуемого устройства.
Сопротивление датчика при увеличении стабилизируемого тока светодиода можно вычислить даже в простейшей офисной программе Exel, по умолчанию устанавливаемой на каждом компьютере, воспользовавшись всплывающей подсказкой при подведении курсора к пиктограмме «i» возле элемента Rsence на схеме (рис. 1). Если подставить в информационно-справочную формулу значения числа витков в первичной и вторичной обмотках, расчетное новое значение выходного тока преобразователя (например, 0,5 А) и параметр Vcref=0,2 В, определяющий режим стабилизации тока в светодиоде, получим новое значение сопротивления резистивного датчика тока в первичной цепи преобразователя Rsence=1,25 Ом.
Для нормальной работы в микросхеме HVLED805 блока фиксации размагничивания [1] потребуется пересчитать определенные программой сопротивления резисторов верхнего (Rdmg_h) и нижнего (Rdmg_l) плеча делителя импульсного напряжения, поступающего от вспомогательной обмотки связи импульсного трансформатора к выводу DMG микросхемы. Применяя изложенные в справочных данных на микросхему уравнения, получаем их новые значения: Rdmg_h=29,2 кОм; Rdmg_l=5,5 кОм.
Обратим внимание на неизменность в используемых расчетах параметров импульсного трансформатора, определенных программой. Это позволяет даже при новом режиме использования светодиода выполнить условие безопасной эксплуатации драйвера при отсутствии нагрузки (перегорании светодиода). В этом случае выходное напряжение, как и прежде, не превысит заданные программой 18 W. Важно лишь убедиться, что с новым рабочим током не наступит насыщение магнитопровода трансформатора, и пиковое значение тока в коммутирующем транзисторе не выйдет за допустимый предел.
Проектирование печатной платы и испытание электрических режимов опытного образца светодиодного драйвера
Как для любого импульсного устройства, при изготовлении печатной платы светодиодного драйвера на микросхемах серии Altair необходимо соблюдать ряд требований. В частности, проводники должны иметь ширину, достаточную для проходящего по ним электрического тока. В целях снижения электромагнитных излучений, отрицательно влияющих на работу различных высокочувствительных к помехам электронных устройств, длина сильноточных проводников за счет оптимального размещения элементов должна быть сведена к минимуму. Следует также учитывать, что многоугольная контактная площадка (полигон), соединенная с выводом стока мощного коммутирующего транзистора в микросхеме (DRAIN), является дополнительным теплоотводом, поэтому размеры полигона должны обеспечивать эффективный отвод тепла. Элементы цепей частотной компенсации во избежание возникновения самовозбуждения преобразователя должны быть расположены в непосредственной близости к выводу СОМР. С этой же целью печатный проводник, соответствующий общему проводу в сигнальной цепи, должен быть проложен отдельно как от общего провода мощного источника питания, так и от общего провода в цепи резистивного датчика тока.
Перечисленным выше требованиям удовлетворяет печатная плата устройства, показанная в масштабе 2:1 на рис. 2 (размеры платы — 24х60 мм). Она выполнена из односторонне фольгированного стеклотекстолита. На рисунке слева показано размещение компонентов для монтажа в отверстиях, справа — конфигурация печатных проводников и размещение элементов для поверхностного монтажа. Элементы фиксирующей цепи (Dclp, Zclp) соединены в общей точке навесным монтажом. Сетевое напряжение к плате подведено посредством монтажных проводников, подпаянных к контактным площадкам с надписью «~220 В». Светодиод с соблюдением полярности подключен к контактным площадкам, промаркированным как «+Out» и «–Out». Крепление платы в драйвере выполнено тремя винтами М2. Внешний вид устройства иллюстрирует фото (рис. 3), где показан опытный образец сетевой светодиодной лампы мощностью 20 Вт, собранной из двух драйверов (каждый — со своим светодиодом). Оба светодиода смонтированы винтовым соединением (по три винта М2) на общем теплоотводе с применением теплопроводящей пасты КПТ-8.
По сравнению со схемой (рис. 1) в конструкцию платы внесены некоторые изменения. С целью повышения надежности функционирования устройства при повышенном сетевом напряжении токоограничивающий резистор R1 11 Ом заменен последовательно включенными плавкой вставкой Fu1 (1 A) и терморезистором SCK103. Вместо одного выходного оксидного конденсатора Cout применены два аналогичных, что способствует уменьшению пульсаций выпрямленного напряжения и тока в светодиоде. Выполненные изменения подтвердили верность конструктивных расчетов на стадии проектирования и благоприятно сказались на электрических режимах светодиодного драйвера, что подтверждается показанными на рис. 4 и рис. 5 осциллограммами основных импульсных сигналов в устройстве.
Осциллограммы импульсных сигналов в преобразователе в его первичной и вторичной цепях относительно общего провода питания снимались цифровым осциллографом, а затем как скриншоты сохранялись в графическом формате на компьютере по USB-интерфейсу. При измерениях использовался один измерительный канал, обозначенный на рисунке как СH1. Рядом с наименованием канала на каждой осциллограмме приведена его чувствительность — цена одного большого деления по вертикали. Индексом М на каждом рисунке обозначена цена деления по горизонтали, характеризующая длительность временной развертки. Курсорамина левой границе рисунка обозначен нулевой уровень сигнала, на правой — уровень синхронизации изображения сигнала с его абсолютным значением, на верхней — положение метки синхронизации на временной развертке. В нижней строке текстового сообщения на рисунке приведены время и дата проведения измерений, а также частота исследуемого импульсного сигнала.
В процессе испытаний прежде всего был проверен рабочий режим использования светодиода. При необходимостив незначительных пределах рабочий ток светодиода может быть скорректирован подбором одного из SMD–резисторов, образующих датчик тока Rsence (рис. 2). После уменьшения сопротивления датчика тока с 1,25 до 1 Ом драйвер обеспечивал рабочий ток светодиода 0,52 А и прямое напряжение на нем 18 В, что полностью соответствует паспортным данным светодиода SPHWWTHDD805WHWODD (ссылка [2] в литературном источнике [2]). Затем с помощью лабораторного автотрансформатора была исследована реакция драйвера на изменение сетевого напряжения. Рис. 4а соответствует сетевому напряжению 176 В, рис. 4б —220 В, рис. 4в — 254 В (дальнейшее повышение сетевого напряжения лабораторный автотрансформатор не обеспечивал). При этом частота преобразования в обратноходовом преобразователе увеличивается примерно от 100 до 115 кГц, что хорошо согласуется с расчетными данными [2]. Также в соответствии с рис. 2 [1] время включенного состояния коммутирующего транзистора в преобразователе снижается примерно с 3 до 2 мкс, а рабочий ток светодиода и амплитудное (пиковое) значение выходного импульсного напряжения остается стабильным и составляет примерно 20 В.
Поскольку рабочий ток светодиода, рассчитанный программой, составлял 0,45 А, а после корректирования режима возрос до 0,52 А, имеет смысл после первого включения драйвера проконтролировать пиковое значение тока коммутирующего транзистора на первичной стороне преобразователя в используемом рабочем режиме светодиода. Такая задача не составляет особого труда благодаря внешнему по отношению к микросхеме размещению резистивного датчика тока — резистора Rsence (рис. 1). Осциллограмма импульсного напряжения на выводах 1,2 микросхемы (SOURCE) относительно общего провода питания на первичной стороне представлена на рис. 4г. Во избежание повреждения цифрового осциллографа из–за наличия гальванической связи измеряемой цепи с питающей сетью подключение драйвера должно быть выполнено через развязывающий трансформатор 220/220 В. Учитывая сопротивление датчика тока и чувствительность осциллографа по вертикальному каналу 0,1 В на деление, получаем: Vpeak=0,1•2,8=0,28 В; Ipeak=Vpeak/Rsence=0,28/1=0,28 А. Такое измерение хорошо согласуется с промоделированным программой значением данного параметра (303 мА на рис. 4 в [2]), и абсолютная линейность пилообразных импульсов тока подтверждает отсутствие захода индукции магнитопровода в область магнитного насыщения.
После контроля рабочего режима светодиода было проверено функционирование драйвера с динамической нагрузкой,в том числе в режиме короткого замыкания и полного отключения (обрыва) нагрузочной цепи. Результаты такого испытания полностью совпали с теорией [1]. На рис. 4д показана форма импульсного выходного напряжения с током нагрузки 0,2 А,когда преобразователь работает в режиме пропуска одной впадины, а частота преобразования составляет 132 кГц. При увеличении тока нагрузки до 0,4 А (рис. 5а) коммутация преобразователя происходит на первой впадине, и рабочая частота испытывает незначительный скачок, увеличиваясь до 140 кГц. С дальнейшим увеличением тока нагрузки до 0,53 А (рис. 5б) частота снижается до 105 кГц, что примерно соответствует основному рабочему режиму. В режиме короткого замыкания нагрузки (рис. 5в) выходное напряжение отсутствует, и преобразователь функционирует с частотой 13,5 кГц короткими коммутирующими импульсами длительностью чуть менее 2 мкс, показанными на рис. 5г. В отсутствие нагрузки преобразователь поддерживает на выходе заданное напряжение примерно 20 В, генерируя с частотой 2,17 кГц короткие пачки коммутирующих импульсов, представленные на рис. 5д.
Измеренное значение КПД преобразователя при сетевом напряжении 220 В составило 82 %. Понятно, что вся непродуктивно расходуемая мощность преобразуется в тепло, выделяемое различными силовыми компонентами — трансформатором, коммутирующим транзистором в микросхеме, фиксирующей цепью на первичной обмотке трансформатора, выпрямительными диодами и пр. Поэтому были опасения чрезмерного разогрева корпуса микросхемы. Но измерения показали, что температура корпуса в установившемся тепловом режиме не превышает 54 OС. По-видимому, разработчики микросхемы HVLED805 при максимальной преобразуемой мощности 7 Вт заложили столь основательный резерв надежности прибора, что инженер–конструктор при соответствующем контроле может в допустимой степени ужесточить режим работы преобразователя, если это фатально не повлияет на работоспособность проектируемого изделия. Тем не менее, уже в настоящее время STMicroelectronics запускает в производство другие аналогичные приборы — HVLED510 с преобразуемой мощностью до 10 Вт и HVLED815 — до 15.
Испытание светодиодной лампы
Как упоминалось ранее, в испытательных целях на базе спроектированных и изготовленных образцов двух светодиодных драйверов была изготовлена экспериментальная светодиодная лампа мощностью 20 Вт, показанная на рис. 3. Такое решение было продиктовано, во-первых, отсутствием в широкой продаже подобных аналогов, и во-вторых, необходимостью сравнения электрооптических параметров устройства с лампой накаливания 150 Вт.
За основу конструкции был выбран теплоотвод компьютерного процессора размерами 60х78х42 мм, содержащий 21 плоское охлаждающее ребро 34х78 мм. На боковых поверхностях теплоотвода (см. рисунок) с каждой стороны установлены драйверы, а на лицевой стороне закреплены светодиоды SPHWWTHDD805WHWODD теплого белого свечения (2700 K). В такой конструкции температура корпуса теплоотвода вблизи светодиода в установившемся режиме не превышает 62 ОС. Если учесть тепловое сопротивление перехода кристалл–корпус, равное 2,24 /Вт, можно заключить, что температура кристалла достигает 82 ОС, и это при максимально допустимых 150 ОС вполне приемлемо с точки зрения обеспечения долговечности прибора.
Для подключения к электрическому патрону с напряжением 220 В с тыльной стороны, противоположной размещению светодиодов, к теплоотводу привинчен цоколь от сгоревшей компактной люминесцентной энергосберегающей лампы. Как показали измерения, при потребляемой мощности 22 Втлампа создает световой поток примерно 1800 лм. В то же время лампа накаливания мощностью 150 Вт, т.е. расходующая в 7 раз больше энергии, создавала поток 1650 лм, поскольку ее мощность возрастала до паспортного значения лишь при напряжении 240 В. Свет, создаваемый светодиодной лампой, по цветовому оттенку ничем не отличается от лампы накаливания.
Конечно, еще 2 года назад создание подобного светотехнического прибора было невозможно из–за отсутствия использованной в проведенной работе элементной базы. Ведь в настоящее время лишь отдельные фирмы, в том числе Samsung, вышли на рынок со светодиодами, достигающими великолепной энергоэффективности 120 лм/Вт. Такой параметр характеризует примененную авторами статьи серию светодиодов холодного белого свечения (5000 К) в режиме использования 11 Вт мощности. Этот же прибор с цветовой температурой 2700 К обладает энергоэффективностью несколько меньшего значения — 93 лм/Вт в режиме использования 9 Вт мощности, зато излучаемый свет ничем не отличается от создаваемого лампой накаливания. Фото опытного образца светодиодной лампы на рис. 6, выполненное в полной темноте, иллюстрирует как достаточно сильный создаваемый световой поток, так и высокий индекс цветопередачи.
Несомненно, перед светодиодными источниками света — великолепное будущее, и этому всемерно способствуют специалисты STMicroelectronics, создавая и постоянно улучшая серию LED-драйверов с именем загадочной звезды Альтаир.
Станислав Косенко,
заслуженный рационализатор РФ
Тигран Гайказьян,
инженер по внедрению PT Electronics
st@ptelectronics.ru