Выбор оптимального драйвера светодиодной системы

Опубликовано: 22 апреля 2015 г. в 12:45, 195 просмотровКомментировать

Последние достижения в разработке усовершенствованных светодиодов показывают, что можно существенно улучшить эффективность источников света и, в то же время, обеспечить высокие характеристики, экологичность и надежность систем освещения. В первой части статьи представлены сведения о структуре светодиодов, методах повышения их эффективности и возможных приложениях. Рассмотрены требования к драйверам светодиодов и наиболее распространенные типы топологий драйверов.

Структура и цвета свечения светодиодов

Светодиоды красного цвета свечения стали первыми коммерчески доступными светодиодами еще в конце 60-х гг. прошлого века, однако их световой выход был очень низким. Несмотря на этот недостаток, светодиоды широко использовались в 7-сегментных дисплеях. Благодаря успехам в исследовании материалов, сегодня можно приобрести светодиоды различных цветов свечения, и некоторые из них могут ослепить смотрящего на них человека.

Светодиоды синего цвета свечения стали широко доступны несколько лет назад. Смешивание светодиодов синего цвета свечения с красными и зелеными светодиодами дает белый свет. Этот метод генерации белого света обеспечивает широкую цветовую гамму, возможность динамической регулировки света и прекрасную цветопередачу (color rendering — CRI), что отлично подходит для применения в высококачественных системах подсветки. Более простым и дешевым методом создания белого света является использование синих светодиодов с фосфорным покрытием, которое преобразует часть синего света в желтый. Желтый свет воздействует на рецепторы глаза и, таким образом, смешивание синего и желтого света обеспечивает зрительное восприятие белого света. Эта схема способна обеспечить хорошую цветопередачу, однако световой выход может быть снижен из-за нестабильной цветовой температуры, которая появляется из-за отклонений в процессе производства и изменении толщины слоя фосфорного покрытия. В таблице 1 приведены основные параметры и цвета свечения светодиодов.

Таблица 1. Основные цвета свечения светодиодов

Длина волны, нм Цвет свечения Прямое напряжение, В
(при токе 20 мА)
Материал кристалла светодиода
940 ИК 1,5 GaAIAs/GaAs
635 красный 2 GaAsP/GaP
570 зеленый 2 InGaAlP
430 синий 3,8 SiC/GaN
8000К белый 3,6 SiC/GaN

Эффективность светодиодов и возможные приложения

Эффективность светового источника можно определить как световой выход на единицу мощности. В последнее время некоторые производители представили светодиоды с заявленной эффективностью, достигающей
150 лм/Вт. Для сравнения: лампы накаливания обеспечивают эффективность 15 лм/Вт, а люминесцентные лампы — 70 лм/Вт. К сожалению, часто производители светодиодов некорректно используют данные об их эффективности. Проблема заключается в том, что неэффективность светодиодов в большой степени связана с тем, что значительная часть произведенного ими света отражается от поверхности материала корпуса обратно в кристалл светодиода. Этот отраженный свет поглощается полупроводниковым материалом и преобразуется в тепло.

Использование антиотражающего покрытия и минимизация углов отражения при помощи использования корпуса полусферической формы снижает количество отраженного света и улучшает эффективность. Однако эти методы в настоящее время достаточно дороги и их стабильность сильно зависит от условий технологического процесса. Поэтому дальнейшая оптимизация технологического процесса позволит значительно улучшить эффективность светодиодов.

Существует много факторов, которые делают светодиоды привлекательными для современных электронных устройств. Например, быстрое время включения и выключения светодиодов важно при их использовании в задних габаритных фонарях автомобиля, особенно в стоп-сигналах, т.к. в результате улучшается безопасность за счет увеличения запаса времени на реакцию водителя. Системы машинного зрения требуют сфокусированного, яркого и гомогенного (равномерного) источника света. Эти параметры обеспечивают светодиоды. Можно привести и другие примеры. Возможность простой реализации динамической регулировки яркости светодиодов позволяет легко менять цветовую окраску света по желанию пользователя.

Основные конфигурации драйверов светодиодов

Яркость свечения светодиодов зависит от прямого тока IF. В зависимости от цвета свечения, а также при изменении прямого тока, падение прямого напряжения светодиодов VF также меняется. Питание светодиода постоянным током является обязательным условием для того, чтобы обеспечить нужный цвет свечения и уровень яркости. Схема драйвера светодиода может быть достаточно простой, например, состоящей из источника напряжения и балластного резистора. Однако изменение входного напряжения питания или прямого падения напряжения приведет к увеличению тока и, следовательно, изменению интенсивности света и цвета свечения.

Для более точного контроля тока можно использовать линейные стабилизаторы. Для приложений с низким током и повышением напряжения можно применить схему с переключаемыми конденсаторами.
В приложениях с широким диапазоном входных напряжений питания и высоким током простые схемы, упомянутые выше, к сожалению, рассеивают высокую мощность и имеют низкую эффективность. В этом случае требуются более эффективные и сравнительно более сложные решения, например, такие как импульсные стабилизаторы. Они могут иметь изолированную и не­изолированную топологии и выполнять такие функции как повышение, понижение или комбинацию повышения и понижения тока или напряжения.

Как правило, разработчики, если нужно найти компромиссное решение, выбирают импульсные стабилизаторы, исходя из стоимости устройства и требований к эффективности преобразования энергии.

Импульсные стабилизаторы

В простых схемах питания светодиодов из-за потерь эффективность схемы невелика и уменьшается с ростом входного напряжения. Например, драйвер на базе линейного стабилизатора обеспечивает КПД 70% при питании белого InGaN-светодиода (V F = 3,5 В) током 5 А от 5-В входного источника. При одних и тех же режимах работы КПД драйвера упадет примерно до 30%, когда входное напряжение увеличится до 12 В.

Импульсные стабилизаторы способны улучшить эффективность преобразования энергии. В них используется прерывание потока мощности и контроль рабочего цикла преобразования для регулирования выходного напряжения либо тока. В отличие от линейных, импульсные стабилизаторы могут быть сконфигурированы по различным схемам, которые обеспечивают повышение/понижение тока или напряжения либо выполняют обе эти функции. Они также способны достичь высокой эффективности преобразования в широком диапазоне входного/выходного напряжения. Замена линейного стабилизатора понижающим драйвером в предыдущем примере обеспечивает повышение КПД до 95—98% во всем диапазоне входного напряжения 5…12 В.

Силовой каскад постоянного тока

Наиболее распространенным видом импульсных стабилизаторов является стабилизатор напряжения. На рисунке 1 показана базовая схема понижающего стабилизатора постоянного напряжения. Понижающий контроллер поддерживает постоянное выходное напряжение при изменении линейного напряжения путем регулировки рабочего цикла D или рабочей частоты.

Катушка индуктивности L определяет размах пульсаций тока ΔIPP, а конденсатор CO задает величину пульсаций выходного напряжения и сглаживает выходное напряжение при наличии переходных процессов в нагрузке. Средний ток через катушку индуктивности в понижающем преобразователе равен току нагрузки. Следовательно, можно установить ток нагрузки путем контроля пиковых значений пульсаций тока катушки. Это значительно упрощает преобразование источника постоянного напряжения в источник постоянного тока.Заданное значение выходного напряжения программируется с использованием следующего уравнения:

На рисунке 2 изображена базовая схема понижающего стабилизатора постоянного тока. Аналогичным образом, понижающие стабилизаторы постоянного тока обеспечивают линейную стабилизацию путем регулировки рабочего цикла или рабочей частоты, и ток свето­диода I

Fопределяется из следующего уравнения:

После того как был установлен ток светодиода IF, необходимо точно проконтролировать ток через катушку. Теоретически можно использовать различные токочувствительные схемы, такие как схемы измерения сопротивления канала МОП-транзистора или сопротивления по постоянному току катушки индуктивности.

Однако на практике точность контроля тока этими методами не соответствует требуемой точности установки величины тока светодиода (5…15% для светодиодов высокой яркости). Если контролировать IF непосредственно с помощью резистора RFB, то можно обеспечить необходимую точность, однако возможно избыточное рассеивание мощности на токочувствительном резисторе. Уменьшение напряжения обратной связи VFB позволяет использовать более низкое значение сопротивления для данного значения IF (уравнение 2), что минимизирует потери. В современных специализированных драйверах светодиодов используется опорное напряжение (напряжение обратной связи) в диапазоне 50…200 мВ.

Понижающие стабилизаторы постоянного тока могут быть сконфигурированы без выходного конденсатора. Использование выходного конденсатора CO в этих стабилизаторах нужно только для фильтрации переменного тока, так как такие схемы имеют непрерывный выходной ток и в них отсутствуют переходные колебания в нагрузке. Без выходного конденсатора выходной импеданс понижающего стабилизатора значительно увеличивается, и способность преобразователя быстро изменять свое выходное напряжение возрастает, так что он способен поддерживать постоянный ток. В результате, быстродействие и диапазон регулировки яркости значительно увеличиваются. Широкий диапазон регулировки яркости является обязательным для таких приложений как подсветка дисплеев и машинное зрение.

С другой стороны, отсутствие выходного конденсатора в схеме делает необходимым увеличение индуктивности в схеме фильтрации пульсаций переменного тока (рекомендуемое значение тока пульсаций ΔIF = ±5…20% от прямого тока). При одном и том же номинале тока, более высокая индуктивность увеличивает размеры и стоимость драйвера светодиода. Следовательно, использование выходного конденсатора в понижающих драйверах постоянного тока зависит от стоимости и размеров устройства — с одной стороны, и скорости и диапазона регулировки яркости — с другой стороны.

Например, для питания одиночного белого светодиода (VF ≈ 3,5 В) током 1 А с пульсациями ΔIF = ±5% от входного напряжения 12 В при рабочей частоте 500 кГц требуется индуктивность 50 мкГн с номинальным током 1,1 А. Однако, если допустить увеличение пульсаций тока катушки до ±30%, то понадобится катушка с индуктивностью менее 10 мкГн. При одинаковом материале сердечника и примерно том же токе катушка с индуктивностью 10 мкГн будет примерно вдвое меньше по размеру, чем катушка с индуктивностью 50 мкГн.

Расчет требуемой выходной емкости при желаемой величине пульсаций ΔIF (±5%) при и использовании катушки индуктивности 10 мкГн можно выполнить на основе динамического сопротивления светодиода rD, измерительного сопротивления RFB и емкостного импеданса при заданной частоте коммутации, используя следующее выражение:

(3) ,

где

Понижающие силовые каскады используются в схемах стабилизаторов совместно управляющим контуром и свободны от таких ограничений как появление нулей характеристического уравнения в правой полуплос­кости (right-half-plane zero — RHPZ). Они позволяют реализовать ШИМ-регулирование яркости, а также совместимы с другими методами регулировки яркости. Это дает возможность разработчику системы гибко конфигурировать драйвер светодиода под специальные требования. Управление с гистерезисом хорошо подходит для таких приложений как лампы накаливания и светофоры, в которых допустима переменная рабочая частота или где используется узкий диапазон входного напряжения. Гистерезисное управление не сужает полосу пропускания цепи управления, что исключает необходимость введения цепи компенсации. Использование гистерезисного управления в понижающем драйвере светодиода (см. рис. 3) серьезно упрощает схему, а также снижает количество компонентов и стоимость драйвера. Данная конфигурация также обеспечивает широкий диапазон регулирования яркости свечения, который недостижим в других понижающих преобразователях. Гистерезисные понижающие драйверы светодиодов с использованием регулировки яркости с шунтированием хорошо подходят для приложений, которые требуют сверхширокого диапазона регулирования при высокой частоте и в которых допускается изменение рабочей частоты.Схемы с управляющим контуром

Квазигистерезисные понижающие драйверы являются неплохим компромиссным решением, обеспечивающим работу на фиксированной частоте и гистерезисное управление для приложений, в которых нежелательна переменная рабочая частота. Понижающий драйвер светодиода, управляемый по включению (квазигистерезисный) (см. рис. 4), использует схему управления на базе компаратора с гистерезисом и ждущего таймера, который используется для установки времени включения. Это управляемое время включения программируется так, что оно обратно пропорционально входному напряжению и, следовательно, минимизирует изменения частоты коммутации в зависимости от входного напряжения. Использование данной схемы также устраняет необходимость ограничения полосы пропускания цепи управления, позволяя обеспечить широкий диапазон регулировки яркости.

В некоторых случаях, например в ряде автомобильных приложений, может потребоваться синхронизация драйверов светодиодов от внешнего тактового сигнала или от другого драйвера для минимизации помех. Реализация синхронизации частоты для схем с гистерезисным или квазигистерезисным управлением может стать непростой задачей. Однако такую функцию легко реализовать в схеме тактируемого стабилизатора, например, в понижающем драйвере с фиксированной частотой, показанном на рисунке 5. Управление на фиксированной частоте в общем случае усложняет схему и ограничивает диапазон регулировки яркости свечения светодиодов, независимо от метода регулировки из-за ограниченных динамических характеристик.

Таким образом, существует много характеристик, которые делают понижающие стабилизаторы привлекательными для использования в драйверах светодиодов. Их просто конфигурировать в качестве источников тока, они могут быть реализованы с минимальным количеством компонентов, что упрощает процесс разработки, улучшает надежность и снижает стоимость. Понижающие драйверы светодиодов также обеспечивают гибкость конфигурирования, т.к. они совместимы со многими схемами управления. Они также допускают высокоскоростную регулировку яркости свечения светодиодов, а также широкий диапазон регулировки, поскольку в них может отсутствовать выходная емкость. Кроме того, они совместимы с различными методами регулировки яркости. Все эти особенности делают понижающие драйверы светодиодов оптимальным решением для множества приложений.

Виктор Александров, техн. консультант
www.russianelectronics.ru

Информация о компании

Prom-Zip (Пром-Зип, ООО)
«Prom-Zip» — одна из самых надежных компаний на территории РФ, сферой деятельности которой является реализация комплектующих для средств промышленной автоматизации любого уровня. Реализуемые компанией «Prom-Ziр» комплектующие могут быть использованы в автоматизации и системах контроля пищевой и химической отрасли, в производстве механического оборудования, в нефтедобыче, металлургии, в комплексах ЖКХ, в теплоносителях, насосных сооружениях, в системах подготовки воды, в составе систем кондиционирования и вентиляции промышленных или бытовых сооружений, в системах промышленного холода и т.д.

Контакты:

Ф.И.О. Точилина Виктория Витальевна  нет отзывов
Должность: Key account manager
Компания: PROM-Zip
Страна:  Россия
Телефон: +7 (495) 972-90-08
Сообщите, что нашли информацию на сайте «Элек.ру»
Web: http://prom-zip.ru/
Skype: victoriato4i
Зарегистрирована: 8 июля 2014 г.
Последний раз была на сайте вчера
  Отправить сообщение

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.