Полупроводниковые драйверы для питания светодиодов

Разработка светильников на основе мощных светодиодов с появлением новых надежных элементов становится всё более актуальной. Многие фирмы - производители радиокомпонентов предлагают решения для создания источников тока и различные микросхемы драйверов для питания светодиодов. Предлагаем Вашему вниманию описание нескольких удачных, на наш взгляд, схемотехнических решений для реализации питания светодиодов.
Рассмотрим эти решения подробнее.

По сути своей драйверы светодиодов представляют DC-DC преобразователи, только стабилизирующие не напряжение, а ток через светодиоды. Структура драйвера зависит от диапазона входного напряжения и от количества запитываемых светодиодов. Внутренняя структура драйвера может быть различна, но, как правило, он состоит из следующих функциональных блоков:
- DC-DC-преобразователь;
- Регулируемые или даже программируемые линейные источники тока (один или несколько каналов);
- ШИМ-контроллеры для индивидуального или общего управления током через светодиоды;
- Интерфейс управления;
- Блок диагностики для обнаружения обрывов в цепи подключения светодиодов, коротких замыканий и др.

Интересным решением является драйверы: LED7706, LED7707 от компании STMicroelectronics. Микросхемы предназначены для питания шести линеек последовательно включенных светодиодов (до 10 светодиодов в каждой цепочке) током 30 или 85 мА, соответственно.

Структура этих микросхем одинакова: в их состав входит высокоэффективный повышающий преобразователь работающий на частоте 660 кГц, имеющий возможность изменения рабочей частоты в пределах от 200 кГц до 1 МГц при помощи внешнего резистора и шесть генераторов тока. Выходное напряжение повышающего преобразователя изменяется адаптивно таким образом, чтобы самое малое падение напряжения на одном из внутренних источников тока было равно их опорному напряжению(400 мВ). Выходное напряжение может изменяться в диапазоне от 4,5 В до 36 В. Выходной ток в каждом канале может быть задан одним внешним резистором. Яркость свечения светодиодов может изменяться, для этого микросхема имеет специальный вход для регулировки.

Схема включения микросхемы LED7706

Входная ее часть образована линиями питания VIN+, VIN-, а также интерфейсом управления и диагностики, включающим линии:
- EN - вход управления включением/отключением;
- FAULT - выход с открытым стоком, сигнализирующий об обнаружении внутренней схемой ИС аварийного состояния. Логика работы данного вывода, а также поведение ИС в аварийных режимах зависит от состояния вывода MODE, которое задается переключателем SW3.
- DIM - вход ШИМ-управления яркостью (частота до 20 кГц, диапазон регулировки 1...100%)

Состояния функциональных узлов микросхем LED7706 и LED7707, при возникновении различных аварийных состояний:

Повышающий преобразователь преобразует входное напряжение до необходимого уровня на линии VBOST. Уровень напряжения на этой линии контролируются преобразователем через вход OVSEL. Величина напряжения на выходе зависит от величины делителя выполненного на резисторах R1, R2.

От величины конденсатора Css зависит продолжительность "плавного" старта преобразователя. Конденсатор заряжается от интегрированного в микросхему источника тока 5 мкА. При достижении на емкости Css напряжения 2.4В, преобразователь начинает работать в штатном режиме.

Рабочая частота задается внешним резистором Rf sw подключаемым к входу FSW. Частота может быть задана в диапазоне 250...1000 кГц. Если вывод FSW соединить с выводом AVcc преобразователь будет работать на частоте 660 кГц. Вывод FSW также может выступать в качестве входа внешней синхронизации. В таком случае, одна ИС LED770x является ведущей (частота преобразования задается, как показано на рисунке 1), а остальные - подчиненными (сигнал синхронизации поступает на вход FSW с выхода SYNC предыдущей ИС).

Преимущества:
- Высокая производительность
- Высокий КПД
- ШИМ-диммирование на частоте 20кГц
- Минимальный размер решения

Применения:
- Подсветка рекламных стендов
- Построение светильников на чип-светодиодах

Для питания светодиодов подходят микросхемы обычных DC-DC преобразователей, необходимо только переработать схемотехническое решение таким образом, чтобы на выходе преобразователя стабилизировался ток, а не напряжение. Компания STMicroelectronics рекомендует использовать для этой цели семейство импульсных понижающих стабилизаторов L597x.

Это серия преобразователей может работать с выходным напряжением до 36 В и обеспечивать ток выхода 1, 1,5 или 2 Ампера. Отсюда следует, что мы можем подключить на выход стабилизатора до 10 последовательно включенных светодиодов и стабилизировать ток для светодиодов с рабочими токами 350 мА, 700 мА и 1400 мА, зачастую большего и не требуется.

В стабилизаторах семейства преобразователей L597x применяется мощный P-канальный полевой транзистор, выполненный по технологии D-MOSFET. Транзистор обладает высоким быстродействием, что позволяет строить на нем преобразователи с рабочей частотой 250 и 500кГц и выше. Кроме этого транзистор обладает крайне низким сопротивлением канала, порядка 250мОм. Что позволяет строить схемотехнические решения с минимальным различием входного и выходного напряжений. Преобразователи оснащены защитой: от превышения тока, короткого замыкания на выходе и  перегрева.

Вариант подключения микросхемы L5973D. Сигнал с датчика тока Rs подается на вход обратной связи микросхемы, т.к опорное напряжение внутреннего источника равно -1,235 В, поэтому и сигнал с датчика тока в режиме стабилизации должен быть не меньше. Если ток через светодиоды выбирается достаточно большой, на токовом сенсоре выделяется большая мощность. Допустим для тока 1,4 А мощность выделяемая на резисторе Rs будет около 2 Вт. Что, конечно, отрицательно влияет на КПД источника в целом. Этого недостатка лишена схема показанная ниже.

Еще один вариант подключения L5973D, отличается от схемы показанной выше только тем, что сигнал с датчика тока Rs на вход управления подается через дополнительный операционный усилитель. Таким образом, можно уменьшить потери мощности на датчике тока. Необходимое напряжение на датчике тока зависит от коэффициента усиления операционного усилителя задаваемого резисторами R1 и R2 и определяется по формуле: Urs=R1/R2*1.235В.

На рисунке показан вариант включения L5973D в качестве инвертирующего преобразователя.

Вариант преобразователя выполненного по схеме повышающего-понижающего преобразователя.

Преимущества:
- Малые габариты
- Высокий КПД
- Высокая частота преобразования
- Минимальный размер решения
- Универсальность применения

Применения:
- Питание светодиодных светильников

При построении источника питания для светодиодного светильника мощностью 25В и более, необходимо учитывать требование - наличие в блоке питания корректора коэффициента мощности. Двойное преобразование отрицательно сказывается на цене и КПД готового источника. Кроме того, работа двух преобразователей при высоких напряжениях требует от разработчика высокой квалификации на этапе проектирования, в противном случае, готовое изделие может оказаться ненадлежащего уровня надежности. А это одно из главных требований для светодиодных источников питания.

Для простого решения задачи построения источника питания светодиодного светильника, компания STMicroelectronics производит микросхему L6562А, с помощью которой можно построить однокаскадный AC-DC преобразователь совмещающий корректор мощности и понижающий Fly-back преобразователь. Это позволяет сэкономить на самых дорогих компонентах - моточных изделиях и силовых полупроводниковых элементах. Соответственно увеличивается КПД источника, уменьшаются: тепловыделение, габариты и вес.

Один из примеров применения микросхемы L6562 на иллюстрации ниже.

Как видно на схеме высоковольтный преобразователь выполнен по схеме обратноходового преобразователя, кроме этого микросхема L6562А выполняет функцию корректора мощности. Через вход MULT с резистивного делителя микросхема получает сигнал одного полупериода входного напряжения, полученного после входного выпрямителя. Форма входного напряжения для ШИМ преобразователя является опорным сигналом и ток через силовой ключ задается в соответствии с полученной формой входного напряжения, поэтому потребляемый преобразователем ток имеет синусоидальную форму и совпадает по фазе с питающим напряжением. На выходе преобразователя получаем стабилизированное напряжение при помощи усилителя рассогласования на микросхеме TL431. Есть возможность организовать опторазвязку, а можно обойтись и без нее. Далее предлагается использовать несколько отдельных стабилизаторов тока для каждой линейки светодиодов.

Особенности:

- Совмещение в одном кристалле функции AC-DС преобразователя и корректора мощности
- Прецизионный встроенный источник опорного напряжения 1%
- Низкий коэффициент гармоник
- Высокий КПД
- Простота построения схем и использования
- Низкая стоимость дизайна
- Низкий стартовый ток, менее 30 мкА
- Низкий потребляемый ток в рабочем режиме, не более 2,5 мА
- Соответствие стандарту EN61000-3-2

Применения:

- Уличное освещение
- Архитектурная подсветка

Наименование	Плата	Назначение	Описание, техническая документация
STEVAL-ILL013V1		80 Ваттный источник питания для светодиодного светильника без гальванической развязки	UM0670: 80W offline LED driver with PFC
STEVAL-ILL016V1		15 Ваттный источник питания без гальваноразвязки с тиристорым диммированием	AN2711: 15W offline Triac dimmable LED driver
EVL6562A-LED		Стабилизатор тока для светодиодного светильника на L6562A	AN2928: Modilfed buck inverter for Led applications