СВЕТОДИОДНЫЕ ДРАЙВЕРЫ NATIONAL SEMICONDUCTOR


PDF версия

С каждым годом расширяется сфера применения мощных светодиодов высокой яркости. Их преимущество обеспечивается за счет большей световой эффективности, высокой надежности, экономичности. Достижение всех этих параметров неразрывно связано с применением микросхем драйверов, которые обеспечивают стабилизированный ток питания цепей светодиодов. В настоящее время многие фирмы производят широкий спектр микросхем линейных и импульсных драйверов для различных приложений мощных светодиодов. National Semiconductor является одним из лидеров среди производителей светодиодных драйверов. Разработанная фирмой серия драйверов понижающего типа (step down) LM3402/LM3404/LM3405 обеспечивает достижение высоких показателей эффективности применения светодиодов c мощностью от 1 до 5 Вт в широком диапазоне входных питающих напряжений.

Введение

Широкому применению светодиодов препятствует высокая цена. Несмотря на расширение производства мощных сверхъярких светодиодов, их цена продолжает оставаться достаточно высокой. Цена светодиодного светильника определяется и стоимостью драйвера светодиода, которая может быть соизмерима со стоимостью светодиодного источника.
Драйвер светодиода должен обеспечивать заданный постоянный ток при изменении входного напряжения источника питания. Стабильный ток требуется для обеспечения постоянной яркости свечения. Вторая причина — превышение номинальной величины тока, протекающего через светодиод, негативно сказывается на сроке службы.
Спектр монохромных светодиодов, как и спектр белых светодиодов зависит от величины проходящего через него тока. При уменьшении или увеличении тока происходит смещение цветовой температуры белого светодиода, а также смещение доминантной частоты монохромного светодиода.

 

Стабилизаторы постоянноготока понижающего типа

При входных напряжениях источника питания больших, чем прямое напряжение на светодиоде или сумме прямых напряжений цепочки светодиодов, используются регуляторы тока понижающего типа. В настоящее время существует несколько методов формирования сигналов управления ключевыми элементами в понижающих регуляторах (см. рис. 1): управление по току или напряжению, гистерезису и так называемый метод Constant-on-Time (CoT) контроля, каждый из которых обладает своими особенностями.

 

Рис. 1. Принципы управления CоT и по току

 

Токовый режим управления обеспечивает простую реализацию обратной связи и позволяет защитить ключевой транзистор от экстремальных режимов работы.
При реализации метода CоT в качестве импульсного генератора используется цепочка из двух последовательных таймеров (одновибраторов). Первый таймер определяет время нахождения транзисторного силового ключа в открытом состоянии (Ton), а временной интервал второго таймера — длительность фазы транзистора в закрытом состоянии. Длительность фазы открытого состояния для CоT является фиксированной и определяется величиной внешнего резистора. Длительность фазы закрытого состояния меняется в зависимости от сигнала обратной связи. Частота следования импульсов для CоT зависит от задаваемого тока и от величины входного напряжения.
Для метода управления по току используется встроенный высокочастотный генератор фиксированной частоты, который задает период смены фаз регулирующего силового ключа (открыт/ закрыт). Частота при регулировании остается неизменной, меняется только скважность импульсов, т.е. соотношение времен открыт/закрыт.

 

Семейство драйверов светодиодов LM3402/LM3404/LM3405

Драйверы семейства относятся к регуляторам напряжения понижающего типа. Их особенности — широкий диапазон входных напряжений. Для драйверов LM3402 и LM3404 существуют более высоковольтные модификации — LM3402HV и LM3404HV (High Voltage) выдерживающие максимальное входное напряжение до 75 В. Драйверы могут использоваться для управления сверхъ­яркими светодиодами с мощностью от 1 до 5 Вт. В таблице 1 представлены основные характеристики светодиодных драйверов.

 

Таблица 1. Основные характеристики светодиодных драйверов LM3402/LM3404/LM3405
Параметры
LM3402/02HV
LM3404/04HV
LM3405/05А
Рабочий выходной ток, А
0,5
1,20
1
Предельный ток (ном.), А
0,7
1,5
2,0
Входное напряжение, В
6…42 (02)
6…75 (02HV)
6…42 (04)
6…75 (04HV)
3…15 (05)
3…22 (05А)
Встроенный мощный MOSFET-ключ
+
Частота преобразования
Регулируемая в диапазоне
от 10 кГц до 1 МГц
Регулируемая в диапазоне
от 10 кГц до 2 МГц
Фиксированная 1,6 MГц
Метод управления стабилизацией тока
CоT
По току с внутренней схемой коррекции цепи обратной связи
Опорный источник напряжения, В
0,205
Корпус
MSOP-8 (MUA08A)
или PSOP-8 (MRA08B)
SO-8
PSOP-8
SOT23-6
Защита от короткого замыкания и обрыва в выходной цепи
+
Защита от перегрева
+
Защита от низкого входного напряжения (ULVO)
+
Ограничение тока выходного ключа в каждом цикле импульсного преобразователя
+
Плавный запуск
+
Управление яркостью (dimming)
+
Режим shutdown
+
Рабочий диапазон температур, °C
–40…125

 

Особенности применения светодиодных источников света в бортовых системах транспортных средств

Наличие расширенного диапазона входных напряжений для светодиодных драйверов актуально при создании светодиодных систем освещения для транспортных средств. Источники света в транспортных средствах могут питаться от генератора или от бортовой аккумуляторной сети (см.
табл. 2).

 

Таблица 2. Напряжения бортовых аккумуляторных сетей транспортных средств

Бортовые сети транспортных средств

Напряжение, В

Самолетная сеть

27

Корабельная сеть

24

Автомобили легковые, грузовые, спецтехника

12/24

Трамвайная сеть освещения

24

Аккумуляторная сеть в поездах

24

Бортовая сеть освещения в скоростных поездах Evrostar

72

 

В бортовых сетях часто случаются броски напряжения при коммутации нагрузки. Например, в автомобильной сети 12-В импульсы перенапряжения могут достигать 70 В. Автомобильные электронные схемы, питаемые от аккумуляторной батареи 12 В, должны быть рассчитаны на более высокое напряжение 40 В и выше, чтобы противостоять напряжениям, возникающим, например, при коммутации индуктивной нагрузки. Повышенное напряжение в аккумуляторной сети возникает и в процессе подзарядки от генератора.
Модификации светодиодных драйверов LM3402HV и LM3404HV полностью соответствуют требованиям, предъявляемым к автомобильному электронному оборудованию как по части защиты от перенапряжений в цепи питания, так и по части обеспечения расширенного рабочего температурного режима –40…125°C.

 

Структура драйверов LM3402

Драйвер LM3402 (см. рис. 2) является компактным, импульсным регулятором постоянного тока понижающего типа с эффективностью до 95% при выходном токе через светодиод 525 мA.

 

Рис. 2. Структурная схема драйвера LM3402

 

Микросхема имеет вход для управления яркостью (ШИМ-управление). Опорное напряжение в цепи обратной связи уменьшено до 0,2 В. Диапазон входных напряжений LM3402 от 6 до 42 В. Более высоковольтная модификация LM3402HV имеет диапазон входных напряжений от 6 до 75 В.
Резистивный датчик тока включен последовательно в цепи светодиода. Выходной транзистор открывается, когда напряжение на резистивном токовом датчике ниже 0,2 В. Второй компаратор имеет порог 0,3 В и предназначен для отключения выходного каскада при обрыве цепи светодиода (светодиодов). В структуре драйвера есть и датчик для мониторинга максимального тока, протекающего через ключевой транзистор. Компаратор с порогом 0,735 А обеспечивает защиту от сверхтоков при коротком замыкании. В структуре микросхемы есть также модуль термозащиты с блокировкой рабочего режима.
Рабочая частота лежит в диапазоне от 10 кГц до 1 МГц и выбирается исходя из нескольких факторов. Она зависит от входного напряжения, топологии светодиодной нагрузки, а также от выбора КПД. Лучший КПД обеспечивается при низких частотах переключения, однако при более высоких частотах можно уменьшить размеры дросселя. Но при высоких частотах переключения повышается уровень ЭМИ. Особенностью импульсных преобразователей LM340x является необязательность установки на выходе конденсатора, который обычно присутствует в таких схемах. Его установка, однако, может помочь снизить величину индуктивности дросселя. Схема включения драйвера показана на рисунке 3.

 

Рис. 3. Уменьшение напряжение обратной связи до 208 мВ дает снижение потребления на резистивном датчике Rsns до 0,5 А × 0,2 В = 0,1 Вт

 

Установка тока через светодиод задается величиной резистора в цепи обратной связи R1.

 

IF = VFB/R1.

 

Встроенный источник опорного напряжения, используемый для работы схемы мониторинга выходного тока, имеет номинал всего 0,208 В, что дало возможность уменьшить сопротивление резистора датчика тока до 0,01…0,2 Ом, уменьшить мощность рассеивания на нем и увеличить КПД всей схемы управления. Например, для тока 1 А можно использовать датчик тока с номиналом 0,2 Ом. Рассеиваемая мощность на резисторе датчика тока составит всего 208 мВт. Поэтому в качестве датчика тока можно использовать резисторы в корпусе 0805 мощностью рассеивания 250 мВт.

 

Структура драйверов LM3404 и LM3404HV

Драйверы LM3404 и LM3404HV схожи с LM3402/3402HV. Схемы их включения также аналогичны. Отличие заключается только в использовании более мощного встроенного MOSFET-ключа, обеспечивающего рабочие токи через светодиод до 1,2 А. Драйвер предназначен для управления светодиодами мощностью 3 и 5 Вт с рабочими токами 0,7…1 A. Драйвер LM3404 может с успехом использоваться и для питания последовательной цепочки мощных светодиодов. На рисунке 4 показана схема управления последовательной гирляндой, состоящей из 10 мощных светодиодов, от источника 48 В.

 

Рис. 4. Управление гирляндой из 10 последовательных светодиодов

 

Прямое падение напряжения на цепочке светодиодов — около 35 В. Расчетные параметры схемы: частота переключения транзистора 223 кГц, индуктивность дросселя 330 мкГн, КПД токового регулятора 96%.

 

Особенности драйвера LM3405

LM 3405 (см. рис. 5) отличается от драйверов LM3402/LM3404.

 

Рис. 5. Структурная схема светодиодного драйвера LM3405

 

Во-первых, не используется метод CоT, а вместо него используется токовый метод управления с внутренней компенсацией сигнала токового датчика. Во-вторых, в нем используется фиксированная высокая частота 1,6 МГц. Работа на фиксированной высокой частоте дает возможность использовать дроссель с малой индуктивностью, который имеет меньшие размеры и меньшую стоимость. В итоге, обеспечивается минимальная стоимость и минимальные размеры схемы управления.
В-третьих, значительно уменьшен диапазон входных напряжений до 3…15 В. Корпус TSOT-6 — самый миниатюрный из тройки драйверов. Для драйвера LM3405A диапазон немного расширен: от 3 до 22 В и используется другой корпус SOT23-6. Сектор применения данного типа драйвера уже другой: светодиодные фонари, лампы-вспышки, индустриальные источники освещения как альтернатива галогеновым 12-В лампам, питаемым от понижаемого трансформатора 220/12 В. Драйвер, в частности, может быть использован в светодиодных лампах с цоколем EL16.
Ток потребления внутренней схемы управления драйвера составляет всего 1,8 мА. При токе 1 А на корпусе схемы рассеивается около 445 мВт. КПД преобразователя для одного светодиода 85% (напряжение 6 В), для двух светодиодов — 90% при входном напряжении 10 В, для трех светодиодов — 92% при входном напряжении 14 В. При повышении напряжения КПД уменьшается. Стабильная работа преобразователя обеспечивается при значениях тока через светодиод больших 200 мА, поэтому резистор R1 должен быть не более 1 Ом. Если требуется обеспечить ток через светодиод меньший 200 мА, то необходимо использовать управление яркостью через ШИМ-модуляцию. Диапазон управляющих сигналов ШИМ от 100 Гц до 5 кГц. Однако при частотах более 5 кГц сигнал ШИМ оказывает влияние на рабочий цикл схемы.

 

Рис. 6. Схема управления светодиодной лампой формата MR16 (VIN = 12 В AC, IF = 0,75 A)

 

На рисунке 6 показан пример реализации схемы управления светодиодной лампы с цоколем MR16.

 

Управление яркостью светодиодных источников

Светодиодные светильники обеспечивают ряд функций, которые не могут быть реализованы для светильников с лампами накаливания. В первую очередь это возможность управления яркостью или диммирование (dimming) с сохранением спектра излучения во всем диапазоне регулировки яркости. В обычных лампах при уменьшении напряжения уменьшается не только яркость, но и меняется спектр, он смещается в сторону красного. В светодиодах яркость и спектр зависят от величины тока.
Особенно это актуально для мощных светодиодов белого свечения, в которых используются люминофорные слои. Для сохранения баланса белого требуется обеспечивать импульсную стабилизацию значения тока. Для монохромных будет происходить смещение доминантной длины волны излучения, а для белых светодиодов — нарушение баланса белого и изменение цветовой температуры излучения.
На рисунке 7 показано смещение спектра белого светодиода мощностью 1 Вт при различных способах управления яркостью.

 

Рис. 7. Слева светодиод запитан постоянным током 50 мА (более желтый спектр)

 

Слева — спектр светодиода при протекании постоянного тока 50 мА, справа — при питании светодиода импульсным током 300 мА со скважностью 1/6, частота ШИМ 500 Гц. Средний ток в обоих случаях одинаковый, а вот результат — разный. Спектр в данном варианте смещен в сторону голубого.
Управление яркостью — обеспечивается сигналом ШИМ, имеющим более низкочастотный диапазон по отношению к частоте переключения ключевого элемента. В итоге, сигнал ШИМ накладывается поверх импульсного регулирования тока. Низкая частота ШИМ не нарушает работу схемы регулирования тока. При цифровой ШИМ-регулировке яркости интегрирование происходит в зрительной системе человека. При этом обеспечивается поддержание импульсов постоянного тока для всего диапазона яркостей. Изменяется только скважность. Сила тока задается внешним резистором.

 

Эффективность драйверов светодиодов понижающего типа

КПД драйвера зависит от многих факторов: частоты переключения, величины входного напряжения, разницы между входным напряжением и напряжением падения на цепочке светодиодов. Чем ближе напряжение на входе к напряжению на светодиодах, тем выше КПД.
Максимальная мощность, рассеиваемая на корпусе драйвера, — 448 мВт (при выходном токе 1 А).
Поскольку потери на драйвере и внешних элементах определяются только величиной тока и не зависят от числа включенных последовательно светодиодов, то КПД системы зависит от числа включенных светодиодов в последовательную цепочку (см. рис. 8).

 

Рис. 8. Эффективность драйвера в зависимости от входного напряжения и схемы включения светодиодов

 

Чем больше светодиодов, тем больше КПД. Расчет показывает, что при использовании последовательной схемы включения из 6 светодиодов КПД может достигать 91, 87% для схемы последовательно-параллельной ( 2 цепочки по 3 светодиода) и всего 83% для схемы, состоящей из 3 цепочек по 2 светодиода. Наименьший КПД (82%) получается при управлении одним светодиодом.
Для помощи разработчику доступна on-line-программа My Webench [10], которая позволяет оптимизировать выбор светодиодного драйвера под конкретный тип светодиода в зависимости от условий применения, а также рассчитать рабочие режимы и параметры схемы управления, подобрать номиналы и типы навесных компонентов (дросселей, конденсаторов, резисторов, диодов Шоттки).

 

Сравнение с аналогами

Светодиодные драйверы понижающего типа для мощных и сверхъярких светодиодов в настоящее время выпускают десятки производителей: Maxim, Analog Device, Texas Instruments, Allegro, Micrel, Zetex, Linear Technologies, Monolithic Power Systems и многие другие. Все серии драйверов, предназначенных для управления светодиодами с мощностью от 1 до 5 Вт, имеют практически одинаковый набор параметров в своих категориях мощности : у всех есть защита от перегрева и токовых перегрузок, работа в широком диапазоне температур, регулировка яркости. Однако по диапазону входных напряжений выбор драйверов не так велик. Одним из конкурентов National Semiconductor в этом секторе является фирма Maxim. В частности, Maxim производит токовые драйверы понижающего типа, работающие в широком диапазоне входных напряжений. Светодиодный драйвер MAX16831 работает в диапазоне входных напряжений 5,4…76 В и обеспечивает выходной ток 1,4/2 А. Однако для работы этого драйвера требуются два внешних мощных MOSFET. В остальном драйвер имеет такие же, как и у драйверов серии LM340x, функции защиты от короткого замыкания, обрыва, перегрева, управление яркостью. В опорном источнике используется уровень напряжения даже меньше, чем у LM340x — всего 107 мВ. В другом понижающем стабилизаторе MAX16803, рассчитанном на ток 350 мА, используется низковольтный (204 мВ) опорный источник.

 

Литература
1. LM3402/LM3402HV 0.5A Constant Current Buck Regulator for Driving High Power LEDs Datasheet.
2. LM3404/04HV 1.0A Constant Current Buck Regulator for Driving High Power LEDs. Datasheet.
3. LM3405A 1.6MHz, 1A Constant Current Buck LED Driver with Internal Compensation in Tiny SOT23 Package, Datasheet.
4. LM3405 1.6MHz, 1A Constant Current Buck Regulator for Powering LEDs. Datasheet.
5. Никитин А. Применение импульсных по­вы­ша­ющих преобразователей фирмы Na­tio­nal Semiconductor для управления светоди­о­дами//Компоненты и технологии, 2007, №8.
6. Полищук А. Полупро­вод­ни­ковое освещение — уже реальность//Компо­нен­ты и технологии, 2007, №8.
7. Richardson C. LED Applications and Driving Techniques//National Semiconductor.
8. Koskela T. Color-Management LED Drivers Have a Bright Future//Applications Engineer National Semiconductor.
9. Давиденко Ю. Микросхемы электропитания светодиодов//Современная электроника, 2004, №12.
10. www.national.com/appinfo/webench/led/pled.html.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *