Истинные параметры мощных светодиодов Philips Lumileds Luxeon Rebel


PDF версия

Повышающие и понижающе-повышающие топологии драйверов светодиодов

В таких приложениях как освещение садовых дорожек или замена ламп накаливания типа MR16 чаще всего используется несколько светодиодов или всего один. Наиболее распространенные напряжения для систем низковольтового освещения — 12 ВDC, 24 ВDC и 12 ВAC. Эти приложения часто используют понижающий стабилизатор1. Однако топологии повышающих стабилизаторов находят все более широкое применение, т.к. количество светодиодов в системах освещения возрастает. Примерами таких приложений является освещение улиц, стадионов, жилых и общественных зданий, а также декоративная или архитектурная подсветка. Для сравнения на рисунке 1 показаны базовые конфигурации драйверов светодиодов с понижающей и повышающей топологией.

Рис. 1. Конфигурации понижающего и повышающего драйверов светодиодов. В понижающей топологии выходное напряжение VO = nVF, VO < VIN; в повышающей топологии VO = nVF, VO > VIN

Как и в случае линейных и понижающих драйверов светодиодов, основной технической проблемой в повышающих драйверах является управление прямым током каждого из целого массива светодиодов. Идеально было бы поместить каждый светодиод в одну последовательную цепь, что обеспечивало бы одинаковый ток через каждый светодиод. Повышающий стабилизатор является простейшим вариантом увеличения входного постоянного напряжения до более высокого выходного напряжения, т.к. это позволяет включить больше светодиодов последовательно при данном входном напряжении. Для питания системы общего освещения обычно используется переменное напряжение сети 110 или 220 В. Если не требуется обеспечить коррекцию коэффициента мощности (ККМ), гальваническую изоляцию или фильтрацию линейных гармоник, то однокаскадные неизолированные импульсные преобразователи (понижающие, повышающие или понижающе-повыщающие) могут использовать выпрямленное напряжение сети переменного тока для питания длинных цепочек светодиодов.

Во многих случаях, однако, используется промежуточная шина постоянного напряжения от AC/DC-преобразователя, который обеспечивает универсальный вход переменного тока, ККМ, изоляцию и фильтрацию. Кроме того, промежуточная шина помогает решить проблемы диэлектрического пробоя и искрения, что улучшает безопасность сервисного персонала, работающего с системой освещения.

Повышающие стабилизаторы

Повышающие стабилизаторы сложнее в проектировании, чем понижающие, независимо от того, требуется контролировать выходное напряжение или выходной ток. Средний ток индуктивности повышающего преобразователя, работающего в режиме Continuous Conduction Mode (CCM), равен току нагрузки (току светодиода), умноженному на 1/(1 — D), где D — рабочий цикл. Повышающий стабилизатор напряжения требует учета предельных значений входного напряжения и тщательного выбора параметров катушки индуктивности, в частности, значений номинального пикового тока. Повышающий драйвер светодиода увеличивает выходное напряжение, что влияет на величину рабочего цикла и, следовательно, на значения индуктивности и номинального тока основной катушки индуктивности. Для того чтобы избежать насыщения катушки, необходимо проверить максимальные значения средних и пиковых токов как при минимальном входном напряжении VIN-MIN, так и максимальном выходном напряжении VO-MAX.

В отличие от понижающего стабилизатора с индуктивностью на выходе, повышающий преобразователь имеет прерывистый выходной ток. По этой причине в такой схеме требуется выходной конденсатор для обеспечения непрерывного выходного напряжения (и, следовательно, выходного тока). Номинал емкости конденсатора выбирается как можно меньше и, в то же время, достаточный для поддержания требуемой величины пульсаций тока светодиода. Чем меньше выходная емкость (что, кроме всего, минимизирует стоимость и размеры устройства), тем быстрее реакция преобразователя на изменения выходного тока и, следовательно, лучше характеристика регулировки яркости свечения светодиодов.

Другой серьезной проблемой повышающего преобразователя является контур управления. Понижающие преобразователи могут иметь различные варианты управления: ШИМ-управление в режиме напряжения, ШИМ-управление в режиме пикового тока, постоянное/управляемое время включения, управление с гистерезисом и др. Повышающие стабилизаторы с режимом CCM (за исключением маломощного/портативного оборудования) почти повсеместно используют ШИМ-управление в режиме пикового тока из-за нулей характеристического уравнения в правой полуплоскости (right-half-plane zero — RHPZ) и того факта, что они передают мощность на выход при закрытом управляющем ключе. При разработке повышающего драйвера светодиодов с контролем выходного тока необходимо проверить работу контура управления со светодиодом в качестве нагрузки. При управлении в режиме пикового тока импеданс нагрузки значительно влияет как на коэффициент усиления по постоянному току, так и на низкочастотную составляющую передаточной функции «контур управления — выход». Для стабилизаторов напряжения импеданс нагрузки определяется в результате деления выходного напряжения на выходной ток.

Светодиоды — это диоды с динамическим сопротивлением, которое можно определить только путем построения графика зависимости VF от IF и определения наклона касательной линии при выбранном значении прямого тока. Как показано на рисунке 1, токовый стабилизатор использует саму нагрузку в качестве делителя в цепи обратной связи. Это уменьшает усиление по постоянному току на коэффициент RSNS/(RSNS + rD). Можно было бы компенсировать повышающий драйвер светодиода простым интегратором, сужающим полосу пропускания для улучшения стабильности. Однако для большинства приложений требуется регулировка яркости свечения, поэтому необходимо обеспечить широкую полосу пропускания и быструю переходную характеристику, что как раз и обеспечивает стабилизатор напряжения. Регулировка яркости может осуществляться либо путем линейного изменения IF (аналоговая регулировка), либо с помощью коммутации выхода на высокой частоте (цифровая, или ШИМ-регулировка).

Понижающе-повышающие стабилизаторы

Внедрение систем светодиодного освещения происходит намного быстрее, чем разрабатываются стандарты по твердотельному освещению. Широкий разброс входных напряжений стимулирует появление различных типов светодиодов. Диапазон выходных напряжений драйверов определяется количеством последовательно включенных светодиодов, типами светодиодов, величиной VF, а также особенностями технологии и температурой кристалла. Например, автомобили высокого класса переходят на использование светодиодов в системах дневного освещения. Три 3-Вт белых светодиода представляют нагрузку около 12 В при токе 1 А. Автомобильные электронные системы должны работать в диапазоне питающих напряжений 9…16 В с возможностью его расширения до 6…42 В, когда характеристики снижены, но система работает без сбоев. В общем случае, понижающий драйвер является наилучшим решением для светодиодов, за ним следует повышающий драйвер, но ни один из них не подходит для данного случая. Если необходимо использовать понижающе-повышающий стабилизатор, то часто наибольшие затруднения вызывает выбор оптимальной топологии.

Одним фундаментальным отличием понижающе-повышающего стабилизатора с любой топологией от понижающего или повышающего стабилизатора является то, что в понижающе-повышающем стабилизаторе входной источник питания никогда прямо не соединяется с выходом. Как понижающий, так и повышающий стабилизатор соединяют VIN и VO (через катушку индуктивности и ключ/диод) во время коммутации, и это прямое соединение повышает их эффективность. Все понижающе-повышающие стабилизаторы сохраняют всю энергию, передаваемую в нагрузку либо в магнитном поле (индуктивность или трансформатор), либо в электрическом поле (конденсатор), что обеспечивает более высокие пиковые токи или более высокое напряжение в силовых ключах. Следует уделить особое внимание работе преобразователя при крайних значениях входного и выходного напряжений, т.к. при VIN-MIN и VO-MAX ток коммутации достигает пикового значения, а пиковое значение напряжения коммутации достигается при VIN-MAX, VIN-MAX и VO-MAX. В общем случае это означает, что понижающе-повышающий стабилизатор имеет большие размеры и меньшее КПД, чем понижающий или повышающий стабилизатор равной мощности.

Понижающе-повышающий стабилизатор с одной катушкой индуктивности может быть построен с тем же числом компонентов, что и понижающий или повышающий стабилизатор. Это делает его привлекательным, с точки зрения стоимости системы. Одним недостатком такой топологии является то, что полярность Vo инвертирована (см. рис. 2 слева) или регулируется относительно VIN (см. рис. 2 справа). В таких преобразователях следует использовать схемы сдвига уровня или инвертирующие цепи. Как и повышающие преобразователи, понижающе-повышающие стабилизаторы имеют прерывистый выходной ток и требуют включения выходного конденсатора. Мощный MOSFET рассчитан на пиковый ток IIN плюс IF и пиковое напряжение VIN плюс VO.

Рис. 2. Схема понижающе-повышающего преобразователя: слева — верхнего плеча, справа — нижнего плеча

Другие топологии драйверов

Кроме повышающих и понижающих, имеется еще ряд топологий преобразователей, используемых в качестве драйверов светодиодов, в частности SEPIC-преобразователи и преобразователи Кука.

Преимущество SEPIC-преобразователей заключается в том, что они обеспечивают непрерывный входной ток из-за наличия входной катушки индуктивности и положительное выходное напряжение. Как в повышающем и понижающе-повышающем преобразователе, в SEPIC-преобразователях требуется выходная емкость для сглаживания тока светодиода. Еще одним достоинством SEPIC-преобразователя является то, что почти все стабилизаторы или контроллеры нижнего плеча можно сконфигурировать в SEPIC-топологии без схем инвертирования полярности или сдвига уровня. Схема SEPIC-драйвера светодиода показана на рисунке 3.

Редко используемый для стабилизации напряжения преобразователь Кука (см. рис. 4) применяется в качестве драйвера светодиодов. Входной и выходной токи в такой схеме непрерывны. Полярность выходного напряжения обратна, как в понижающе-повышающем преобразователе верхнего плеча, однако выходной конденсатор можно исключить, как в понижающем преобразователе. Преобразователь Кука является единственной схемой неизолированного стабилизатора с такой возможностью.

Рис. 3. Схема SEPIC-драйвера светодиода

Рис. 4. Схема стабилизатора Кука

Ни повышающий, ни понижающе-повышающем стабилизатор не предпочтительны для драйверов светодиодов из-за их более высокой сложности и увеличенного числа компонентов, меньшей эффективности (особенно это касается понижающе-повышающего стабилизатора) и ограниченного выбора схемы управления. Однако обе схемы являются «неизбежным злом», т.к. светодиоды внедряются во все большее число приложений. В некоторых случаях архитектура системы может быть изменена так, чтобы использовать понижающий или даже линейный стабилизатор для драйвера светодиодов. Это возможно, например, для крупных систем освещения, таких как уличное освещение, где требуются сотни и более светодиодов мощностью более 1 Вт. В целом, для систем промежуточной мощности, таких как головной свет автомобиля и небольшие осветительные приборы, повышающие и понижающе-повышающие стабилизаторы представляют собой наилучший выбор для питания светодиодов постоянным током.

Регулировка яркости свечения

Независимо от того, используется для питания светодиодов понижающий, повышающий, понижающе-повышающий или линейный стабилизатор, общим требованием является наличие схемы управления световым выходом. Некоторые приложения являются простыми, однако в большей части приложений требуется регулировка яркости от нуля до 100%, часто с высоким разрешением. Разработчик имеет возможность выбрать один из двух методов регулировки: линейная регулировка тока светодиода (аналоговая регулировка) или использование коммутирующей схемы, которая работает с высокой частотой, достаточной для того, чтобы глаз был способен усреднить световой выход (цифровая регулировка). Использование ШИМ для установки периода и рабочего цикла (см. рис. 5) является, по-видимому, самым простым способом реализации цифровой регулировки, а топология понижающего стабилизатора способна обеспечить наилучшие характеристики.

Рис. 5. Драйвер светодиодов с ШИМ-регулировкой яркости свечения и форма сигналов

Предпочтителен ШИМ-метод регулировки яркости

Аналоговую регулировку яркости часто проще реализовать. В этом случае выходной сигнал драйвера светодиода изменяется пропорционально управляющему напряжению. Аналоговая регулировка не вносит новых частот — потенциального источника электромагнитных помех. ШИМ-регулировка используется в большинстве схем благодаря фундаментальному свойству светодиодов: характер излучаемого света меняется пропорционально среднему питающему току. Для монохроматических светодиодов меняется доминирующая длина волны. Для белых светодиодов меняется коррелированная цветовая температура (correlated color temperature — CCT). Человеческому глазу трудно уловить изменения длины волны на уровне несколько нм красных, зеленых и синих светодиодов, особенно когда интенсивность света также меняется. Однако изменение температуры цвета белого света легко заметить.

Белые светодиоды, как правило, состоят из кристалла, излучающего фотоны в синем спектре, которые проникают в фосфорное покрытие. Это покрытие, в свою очередь, излучает фотоны в широком диапазоне длин волн видимого света. При низких токах в спектре доминирует фосфор, и свет обычно имеет желтый оттенок. При высоких токах доминирует синий оттенок света с более высоким значением коррелированной цветовой температуры. В приложениях с несколькими белыми светодиодами разница в CCT между двумя соседними светодиодами может быть заметной и неприятной. Это может наблюдаться также в источниках, в которых свет смешивается от множества монохроматических светодиодов. Когда имеется более одного источника света, любая разница между ними раздражает глаз.

Производители светодиодов устанавливают определенное значение тока управления для своих продуктов и гарантируют доминирующую длину волны или CCT только при этих значениях тока. ШИМ-регулировка обеспечивает излучение того оттенка света, который необходим разработчику системы, независимо от интенсивности света. Такой точный контроль особенно важен в RGB-приложениях, где происходит смешивание различных цветов для получения белого света.

Для аналоговой регулировки поддержание точности выходного тока представляет серьезную проблему. Почти все драйверы светодиодов используют на выходе последовательно включенный резистор для измерения тока. Величина напряжения, падающего на этом резисторе VSNS, выбирается так, чтобы обеспечить малую рассеиваемую мощность и, в то же время, высокое отношение сигнал-шум. Допуски, смещения и задержки драйвера вносят погрешность, которая остается относительно постоянной. Для уменьшения выходного тока в системе с обратной связью VSNS должно быть снижено. Это, в свою очередь, уменьшает точность задания выходного тока. Таким образом, регулировка яркости с помощью ШИМ обеспечивает более точный контроль светового выхода вплоть до намного меньших уровней, чем допускает аналоговая регулировка.

Частота регулировки яркости и контрастность

Конечное время реакции драйвера светодиода на ШИМ-сигнал необходимо учитывать при разработке схемы. Имеются три основных типа задержки драйвера (см. рис. 6). Чем больше эти задержки, тем меньше достижимый коэффициент контраста.

Как показано на рисунке 6, tD представляет собой задержку распространения от момента времени, когда сигнал VDIM переходит в состояние высокого уровня, до момента времени, когда драйвер светодиода начинает увеличивать выходной ток. tSU — это время увеличения выходного тока от нуля до заданного уровня, а tSD — время уменьшения выходного тока от заданного уровня до нуля. В общем случае, чем меньше частота регулировки fDIM, тем выше контрастность, т.к. эти постоянные задержки занимают меньшую часть периода регулировки TDIM. Нижний предел fDIM приблизительно равен 120 Гц, ниже которого глаз не воспринимает световые импульсы как непрерывный свет. Верхний предел определяется минимальной требуемой контрастностью.

Рис. 6. Задержки при регулировке яркости свечения

Коэффициент контраста представляет собой инверсную величину минимального времени включения. Приложения для машинного зрения и промышленного контроля часто требуют намного более высокую частоту ШИМ-регулировки, потому что в них используются быстродействующие видеокамеры и датчики. В таких приложениях целью быстрого включения и выключения светодиодного источника света является не снижение среднего светового выхода, а синхронизация светового выхода с временем захвата датчика или видеокамеры.

Регулировка яркости в импульсном стабилизаторе

При разработке драйверов светодиодов на базе импульсного стабилизатора следует предусмотреть необходимость их выключения и включения сотни и тысячи раз в секунду. Стабилизаторы, спроектированные для обычных источников питания, часто имеют вывод разрешения или вывод выключения, на которые может быть подан ШИМ-сигнал логического уровня, но связанная с этим сигналом задержка tD часто бывает слишком большой. Это объясняется тем, что кремниевые полупроводниковые приборы имеют низкий ток выключения. В специализированных импульсных стабилизаторах для питания светодиодов все наоборот: для минимизации tD внутренние цепи управления поддерживаются в активном состоянии, и, в то же время, обеспечивается высокий рабочий ток, когда светодиод выключен.

Оптимизация управления светом с помощью ШИМ требует минимального времени нарастания и спада сигнала не только для получения наилучшего коэффициента контрастности, но также для минимизации времени нахождения светодиода в промежуточном состоянии (когда доминирующая длина волны и CCT не гарантированы). Обычный импульсный стабилизатор, как правило, имеет функцию мягкого старта и мягкого выключения, однако специализированные драйверы светодиодов специально разработаны для минимизации времени нарастания и спада выходного сигнала. Уменьшения tSU и tSD можно достичь путем оптимального выбора топологии используемого в драйвере светодиода импульсного стабилизатора.

Понижающий стабилизатор превосходит все другие импульсные топологии по скорости нарастания выходного сигнала по двум причинам. Во-первых, понижающий стабилизатор — это единственный импульсный преобразователь, который передает мощность на выход при включенном управляющем ключе. Это делает управляющую ШИМ-цепь понижающего стабилизатора более быстродействующей, чем повышающего и различных видов понижающе-повышающего стабилизатора. Передачу мощности во время включения также легко реализовать при гистерезисном управлении, которое даже более быстрое, чем контур управления в режиме напряжения или тока. Во-вторых, катушка индуктивности понижающего стабилизатора соединена с выходом во время всего цикла переключения. Без выходного конденсатора понижающий стабилизатор становится настоящим источником тока с высоким импедансом, способным быстро переключать выходное напряжение. Преобразователь Кука и ZETA-преобразователь также имеют катушку индуктивности на выходе, однако их управляющий контур медленнее (и имеет меньшую эффективность).

Высокочастотная ШИМ-регулировка

Даже гистерезисный понижающий стабилизатор без выходного конденсатора не всегда обеспечивает требования некоторых систем с ШИМ-регулировкой. Эти приложения используют высокую частоту ШИМ-регулировки и высокий коэффициент контрастности, что, в свою очередь, требует высокой скорости нарастания и спада выходного сигнала и малого времени задержки. Кроме систем машинного зрения и промышленного контроля, примерами, в которых требуется высокая скорость, могут служить подсветка ЖК-панелей и видеопроекторы. В некоторых случаях частота ШИМ-регулировки должна быть выше звуковой частоты, т.е. 25 кГц. Вместе с уменьшением общего периода регулировки до нескольких мс, общее время нарастания и спада сигнала, включая задержку распространения, должно быть снижено до нескольких нс.

Рассмотрим быстрый понижающий стабилизатор без выходного конденсатора. Задержки включения и выключения выходного тока определяются задержками распространения сигналов микросхемы и физическими свойствами выходной катушки индуктивности. Наилучшим способом минимизации этих задержек является использование мощного ключа, включенного параллельно цепи светодиодов (см. рис. 7). Для того чтобы выключить светодиоды, ток драйвера шунтируется ключом, который обычно представляет собой n-канальный MOSFET. Микросхема работает, и ток через индуктивность продолжает протекать. Главным недостатком такого метода является то, что теряется мощность в то время, когда выключены светодиоды.

Рис. 7. Схема с шунтирующим n-канальным MOSFET и форма сигналов

Регулировка яркости с помощью шунтирующего MOSFET вызывает быстрый сдвиг выходного напряжения, на который контур управления микросхемы должен ответить стремлением сохранить постоянный ток на выходе. Чем быстрее цепь управления, тем лучше время реакции системы, и понижающий стабилизатор с гистерезисным управлением обеспечивает наилучшую скорость.

Быстрая ШИМ с повышающим и понижающе-повышающим стабилизатором

Ни повышающий стабилизатор, ни одна из понижающе-повышающих топологий не подходят идеально для ШИМ-регулировки яркости. Это объясняется тем, что в режиме CCM в каждой из этих схем появляются нули характеристического уравнения в правой полуплоскости, что затрудняет достижение широкой полосы пропускания контура управления, нужной для тактируемых стабилизаторов. Временной эффект RHPZ также делает намного более затруднительным использование гистерезисного управления для повышающей и понижающе-повышающей схемы. Кроме того, повышающий стабилизатор не может допустить падение выходного напряжения ниже входного напряжения. Такие условия вызывают короткое замыкание на входе и делают невозможным регулировку яркости с помощью параллельно включенного FET. Среди понижающе-повышающих топологий регулировка яркости с помощью параллельно включенного FET невозможна или, в лучшем случае, нецелесообразна из-за особых требований для выходного конденсатора (SEPIC, понижающе-повышающая и обратноходовая топология) или из-за неконтролируемого тока входной индуктивности во время короткого замыкания на выходе (преобразователь Кука и ZETA-преобразователь). Когда требуется настоящая быстрая ШИМ-регулировка, наилучшим решением является двухкаскадная система, в которой в качестве второго каскада используется понижающий стабилизатор. Если размеры и стоимость не позволяют реализовать этот подход, другим вариантом решения является последовательно включенный ключ.

Ток через светодиод в такой схеме может быть выключен мгновенно. С другой стороны, особое внимание следует уделить реакции системы. На такую открытую схему воздействуют быстрые переходные процессы, которые могут вызвать нарушение обратной связи и бесконтрольное возрастание выходного напряжения. В этом случае необходима схема фиксации на выходе и/или усилитель ошибки для предотвращения отказа из-за повышенного напряжения. Такую фиксирующую схему сложно реализовать с помощью внешней цепи, и потому использование последовательного FET для регулировки яркости имеет практический смысл только со специализированными повышающими и понижающе-повышающими микросхемами драйверов светодиодов.

В заключение следует отметить, что чем сложнее источник света, тем вероятнее использование ШИМ-регулировки яркости. Это, в свою очередь, требует, чтобы разработчик системы внимательно рассмотрел варианты топологии драйвера светодиода. Понижающий стабилизатор имеет много преимуществ при реализации ШИМ-регулировки яркости. Если частота регулировки яркости должна быть высока, или время нарастания и спада сигнала на выходе должно быть малым, понижающий стабилизатор является наилучшим выбором.

Литература

1. Sameh Sarhan, Chris Richardson. A matter of light//www.embedded.com.

2. Zhongming Ye. LED Driver implements power factor regulation and dimming function//www.powermanagementdesignline.com.

3. Design Challenges of Switching LED Drivers. Application Note AN-1656//www.national.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *