В статье описываются проблемы, которые могут возникнуть при разработке источников питания для светодиодной осветительной аппаратуры. На примере контроллеров компании iWatt показаны особенности контроллеров для светодиодов с регулировкой яркости. Несмотря на небольшой объем, материал имеет практическую значимость для разработчиков.
Пара цифровых AC/DC ШИМ-контроллеров с регулировкой яркости светодиодов для 100/230-В автономных светодиодных систем освещения иллюстрирует сложность решения, казалось бы, простой задачи: как использовать синусоидальную полуволну с отсеченной фазой диммера на базе триака для лампы накаливания, чтобы получить импульсную модуляцию постоянного тока в цепочке светодиодов для регулировки их яркости?
В процессе разработки выяснилось, что проект оказался далеко не тривиальным. Пришлось учитывать самые разные факторы: от вполне очевидных, например, таких как величина коэффициента мощности и КПД, надежность и размеры системы, а также стоимость комплектующих — до более сложных вопросов, которые обычно упускают из виду. Например, будет ли использоваться настенный диммер с отсечкой фазы по переднему или по заднему фронту полуволны переменного напряжения? Как схема будет передавать информацию? Что, если она не сможет передавать информацию?
Кроме того, необходимо учитывать и разного рода непредвиденные проблемы. Например, как обеспечить поддержку «горячего» отключения, т.е. каким образом контроллер должен обеспечивать регулировку яркости, когда пользователь извлекает одну светодиодную лампу из розетки и помещает в нее другую без отключения питания?
Для иллюстрации способа решения подобных проблем были выбраны контроллеры компании iWatt. iW3602 (с выходной мощностью 3…10 Вт) и iW3612 (с выходной мощностью 3…25 Вт) для светодиодных ламп замены компактного (GU10, MR16) или более крупного (A, PAR) форм-фактора (см. рис. 1).
Эти микросхемы имеют ряд особенностей, включая цифровую обратную связь и неизолированную обратноходовую топологию во входном AC/DC-каскаде. Цифровая цепь управления обеспечивает точную подстройку значений постоянных величин для конкретного типа лампы, в которую должен быть встроен контроллер.
Петля управления предусматривает также сложную комбинацию ШИМ/ЧИМ, что обеспечивает высокую эффективность в диапазоне регулировки яркости при всех условиях внешней среды, включая изменение температуры и влажности. Использование стабилизации в первичной цепи AC/DC-преобразователя исключает необходимость применения оптопары — единственного компонента, который имеет более короткий срок службы по сравнению со светодиодами в лампе (чей срок службы составляет 50—100 тыс. ч).
Что касается схемы AC/DC-преобразователя, то в ней следует учитывать требования ЕС и Energy Star к минимальной величине коэффициента мощности. В системах светодиодного освещения с регулировкой яркости имеется одна особенность: гармоники переменного тока на частоте сети, которые корректор коэффициента мощности не пропускает в шину питания, не устраняются полностью, т.к. передаются на выход постоянного тока. Это не вызывает проблем при высоких уровнях яркости. Но при низких уровнях освещения гармоники могут проявляться в виде мерцания, что может оказывать влияние на состояние здоровья, вызывая головную боль и даже приступы у наиболее чувствительных людей. В настоящее время разрабатывается проект закона, который будет учитывать эти вопросы.
Кроме того, необходимо исключить возможность возникновения акустического резонанса обратноходового трансформатора на низких уровнях яркости. Контроллеры компании iWatt используют ЧИМ с целью повышения эффективности при малой нагрузке и исключения акустического шума трансформатора.
Чтобы снизить стоимость материалов и комплектующих, а также упростить задачу размещения схемы управления в стандартной базе обычной лампы, была выбрана 200-кГц частота коммутации, что позволило использовать конденсаторы и трансформаторы более компактного размера. Кроме того, разработчики могут использовать радиатор меньшего размера, т.к. высокая эффективность (не менее 85%) снизила тепловые потери.
Другой особенностью микросхем является возможность применения диммеров разного типа — от самых примитивных на базе триаков/диаков до сложных устройств для залов заседаний класса «люкс».
Литература
1. Don Tuite. LED Dimming ICs Demonstrate Design Challenges//www.electronicdesign.com.
