Решения компании international Rectifier для систем светодиодного освещения

Максим Соломатин, бренд-менеджер по продукции International Rectifier (IR), «Компэл» Кирилл Автушенко, инженер по силовой электронике по продукции IR, «Компэл». В статье рассказывается о контроллерах питания различной функциональности от компании International Rectifier для систем светодиодного освещения.

ВВЕДЕНИЕ
Области применения светодиодных светильников постоянно расширяются. Сегодня к их числу относятся светильники для ЖКХ, уличное освещение, ландшафтная подсветка, декоративная подсветка зданий и сооружений, устройства, регулирующие движение транспортных средств (светофоры, семафоры, подсветка знаков), системы освещения промышленных, коммерческих и жилых помещений.

Среди явных преимуществ светодиодных светильников — высокая светоотдача, длительный срок службы, низкое энергопотребление и высокая управляемость. Но не следует забывать, что эти преимущества полностью реализуются только с учетом всех особенностей конструкции и эксплуатации светодиодов и при условии высокого качества изготовления светодиодного светильника.

От источника питания (ИП) светодиодного светильника зависит срок службы светодиодов и параметры светового потока (стабильность цветовой температуры, уровень пульсаций), а помимо этого часто требуется возможность плавной регулировки (диммирование) яркости светодиодного светильника. Нужно иметь в виду, что затраты на источник питания светодиодного светильника составляют 25—45% от его стоимости.

Следовательно, снижение стоимости источника питания может весьма существенно сказаться и на стоимости светильника.

В зависимости от типа приложения и требуемой выходной мощности в источниках питания светодиодных светильников применяются различные типы импульсных преобразователей — понижающие, обратноходовые, резонансные, повышающие, а также их комбинации.

Являясь одним из ведущих игроков на рынке силовых полупроводниковых приборов, компания International Rectifier предлагает широкий спектр контроллеров питания различной функциональности для систем светодиодного освещения:

— полумостовые драйверы, совмещенные с корректором коэффициента мощности (ККМ);

— обратноходовые драйверы;

— гистерезисные драйверы;

— понижающие и повышающие драйверы.

На рисунке представлены доступные на данный момент и планируемые к выходу микросхемы светодиодных драйверов. Для построения неизолированных источников питания светодиодных светильников предназначены высоковольтные понижающие драйверы IRS25411, IRS2890.

Микросхемы IRS25401/11 — это понижающие светодиодные драйверы, особенность которых в наличии встроенного драйвера верхнего силового ключа и датчика тока в нижнем плече. Драйверы работают по методу гистерезисного управления выходным током, рабочие частоты переключений — до 500 кГц.

Микросхема IRS2980 представляет собой понижающий светодиодный драйвер с возможностью подключения непосредственно к высоковольтной питающей линии с напряжением до 450 В. Драйвер рассчитан на рабочие частоты до 150 кГц и имеет функцию плавной регулировки яркости. Изолированные источники питания реализуются на основе многофункционального контроллера ККМ IRS2500S или резонансного полумо-стового драйвера IRS2548DS, управляющего также каскадом ККМ.

Решения компании international Rectifier для систем светодиодного освещения

РЕШЕНИЯ ДЛЯ НЕИЗОЛИРОВАННЫХ ИП СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ IRS25401/11
Микросхемы серий IRS25401/11 представляют собой высоковольтные понижающие импульсные стабилизаторы тока для построения светодиодных драйверов. Они работают в непрерывном режиме с регуляцией среднего тока по гистерезисному методу. IRS254x1 имеют встроенный источник опорного напряжения, драйвер нижнего ключа и выпускаются в корпусе для поверхностного монтажа SO-8.

При нормальном режиме работы выходной ток измеряется шунтирующим резистором, напряжение с которого подается на вывод IFB. Уровень напряжения на IFB сравнивается с внутренним опорным напряжением, и в зависимости от результатов подается сигнал включения или отключения силового транзистора. Структурная схема драйвера представлена на рисунке.

Вывод ENN управляет разрешением работы микросхемы, активный уровень — низкий, и при отсутствии сигнала на данном выводе работа микросхемы разрешается. Плавная регулировка яркости освещения (среднего выходного тока) может осуществляться за счет подачи ШИМ- сигнала с частотой 120…5000 Гц на вывод ENN. При этом зависимость яркости от скважности будет обратной — при 0% яркость максимальна, при 100% минимальна, при 30% скважности яркость будет составлять 70% от максимальной и, наоборот, при 70% скважности яркость будет составлять только 30%.

Микросхема способна работать напрямую с высоким входным напряжением до 200 В (IRS25401) или 600 В (IRS25411). Рабочая температура микросхем: -55…150°С.

IRS2980
Данная микросхема от International Rectifier выпускается в компактном корпусе поверхностного монтажа SO-8, объединяет технологию управления импульсными источниками питания с технологией построения высоковольтных микросхем (High Voltage Integrated Circuit — HVIC). В IRS2980S также реализован гистерезисный метод стабилизации выходного тока при рабочих частотах в диапазоне 25.120 кГц. Частота и скважность управляющих импульсов могут меняться в зависимости от вариаций напряжения питания и нагрузки. Пульсации выходного тока зависят от выбора индуктивности, а также от уровней входного и выходного напряжений.

Нагрузка в виде светодиодов привязана к высокому уровню напряжения, а не к земле, что в ряде приложений может потребовать дополнительных мер защиты от поражения электрическим током.

IRS2980S использует уникальную схему дифференциального измерителя тока с плавающим потенциалом и сдвигом уровня (см. структурную схему на рисунке 3), позволяющую применять в качестве силового ключа нижний ключ на n-канальном полевом транзисторе. В дополнение к этому IRS2980S содержит встроенный высоковольтный стабилизатор напряжения с входным рабочим напряжением до 450 В (с кратковременными выбросами до 600 В), позволяющий отказаться от внешнего источника постоянного напряжения для питания драйвера. Драйвер допускает регулировку яркости при помощи аналогового (0.2 В) или ШИМ-сигнала (3,3.5 В) с частотой до 1 кГц.

Благодаря возможности работы напрямую с напряжениями до 600 В IRS2980S требует лишь небольшого количества внешних элементов: силового ключа, диода, индуктивности, токоизмерительного резистора и нескольких фильтрующих конденсаторов. Типовая электрическая принципиальная схема включения IRS2980S представлена на рисунке 4.Решения компании international Rectifier для систем светодиодного освещения

Выход управления силовым транзистором имеет входные/выходные токи 180/260 мА, что позволяет управлять MOSFET даже с существенной емкостью затвора, хотя для снижения тока драйвера затвора и общего потребления схемы рекомендуется выбирать MOSFET с как можно меньшей входной емкостью. Аналогично для снижения потерь возвратный диод рекомендуется выбирать со временем восстановления менее 35 нс.

IRS2980S включает также ШИМ-генератор, выдающий пилообразный сигнал с частотой, задаваемой конденсатором CRAMP Постоянное напряжение на выводе ADIM сравнивается с генерируемым пилообразным сигналом и на основе этого формируется сигнал разрешения переключения силового ключа. Изменяя напряжение на выводе ADIM, можно регулировать яркость в диапазоне 0.100%. При подключении на вывод CRAMP резистора с сопротивлением порядка 68 кОм порог разрешения работы устанавливается равным ~1 В. Это позволяет использовать для управления работой ключа внешний цифровой сигнал или внешний ШИМ-генератор. При работе с большим входным напряжением следует стремиться к снижению рабочей частоты схемы для снижения потребления тока и мощности, рассеиваемой IRS2980S.

Микросхема IRS2980S изначально была разработана для работы в 115-В сетях переменного напряжения, и ее применение в драйверах, работающих от сети 220 В, требует более аккуратного подхода при расчете теплового режима, чтобы исключить ее выход из строя в результате теплового повреждения.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПЛАТЫ НА БАЗЕ ДРАЙВЕРА IRS2980S
Примером, иллюстрирующим подход к построению источников питания для светодиодных светильников на базе IRS2980S, служат демонстрационные платы IRPLLED7 и IRPLLED13.

IRPLLED7 представляет собой источник питания постоянного тока для 350-мА светодиодов, питающийся от сети переменного тока с допустимым диапазоном напряжений 90.250 В или от источника постоянного напряжения 50.300 В. Выходное напряжение VLED может составлять до 90% от входного.

IRPLLED7 содержит диодный мост, пассивный ККМ и потенциометр, позволяющий регулировать яркость свечения светодиодов в пределах 10.100%. Структурная схема IRPLLED7 представлена на рисунке.

Коэффициент мощности в зависимости от входного напряжения находится в пределах 0,8…0,9. Частота ШИМ-регулирования при CRAMP = 10 нФ составляет около 800 Гц. Пульсации выходного тока хотя и достигают 20%, но имеют частоту порядка нескольких или десятков килогерц и не будут заметны для глаз (даже для входного переменного напряжения 220 В частота переключений не выходит из пределов 30.60 кГц). При изменении входного напряжения в диапазоне 60.180 В (постоянное напряжение) выходной ток изменяется в пределах 335.377 мА при уровне высокочастотных пульсаций 120.240 мА.

Отладочная плата IRPLLED13 во многом аналогична IRPLLED7. Отличием является отсутствие у нее регулятора яркости и конструктивное исполнение — она выполнена в виде круглой печатной платы диаметром около 40 мм.

Микросхема IRS2980S является простым, но достаточно эффективным решением для построения источников питания светодиодных светильников для таких приложений как системы внутреннего освещения жилых и хозяйственных помещений, светильники для ЖКХ, освещение дворовых территорий.

Основными преимуществами драйвера IRS2980S являются:

— это полностью интегрированное однокристальное решение со встроенной защитой;

— встроенный высоковольтный LDO-регулятор;

— небольшое количество внешних элементов;

— возможность аналоговой и ШИМ-регулировки яркости;

— низкая стоимость конечного решения.

Весьма интересна возможность применения IRS2980S для схем балластов светодиодных ламп, предназначенных для освещения жилых или хозяйственных помещений и выполненных для непосредственного подключения в цоколь Е27 или Е14, либо для ламп, идущих на замену лампам дневного света.

Решения компании international Rectifier для систем светодиодного освещения

РЕШЕНИЯ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ИП НА БАЗЕ ОБРАТНОХОДОВОЙ ТОПОЛОГИИ
Микросхема IRS2500S (см. рис. 8) является многофункциональной управляющей микросхемой для построения источников питания с коррекцией коэффициента мощности по обратноходовой топологии. Типичными областями ее применения являются блоки коррекции коэффициента мощности со стабилизацией выходного напряжения, электронные балласты люминесцентных или галогенных ламп, а также обратноходовые преобразователи, обычно применяемые в светодиодных драйверах малой мощности. Драйвер IRS2500S работает по методу ограничения пикового тока и имеет встроенный механизм защиты от перенапряжения по выходу.

IRS2500S работает в режиме предельной проводимости (critical-conduction mode — CrCM) — в каждом цикле работы ток индуктивности падает до нуля и только после этого происходит включение силового транзистора (частота переключения транзистора составляет несколько десятков килогерц).

Так, обратноходовой драйвер, приведенный на рисунке 9, представляет собой достаточно компактное решение для встраиваемых светодиодных светильников и обеспечивает хорошие рабочие показатели при условии постоянной нагрузки и небольших вариаций сетевого напряжения (как правило, для большинства бытовых питающих сетей и применений встраиваемых светильников эти условия выполняются). Для стабилизации тока через светодиоды используется функция ограничения пикового тока в каждом рабочем цикле IRS2500S.

ДВУХКАСКАДНЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ LED-ДРАЙВЕРОВ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
В микросхеме IRS2548DS совмещены функции ККМ и драйвера полумоста, что позволяет строить на ее базе изолированные источники питания и светодиодные драйверы высокой (более 100 Вт) мощности. Внутренняя структура IRS2548DS основана на популярной микросхеме электронного балласта IRS2168D.

ККМ в IRS2548DS работает в режиме критической проводимости, обеспечивает высокий уровень коэффициента мощности, низкий уровень электромагнитных шумов и высокую степень стабилизации выходного постоянного напряжения. При этом ККМ имеет встроенную защиту от перегрузки по выходу, программируемую минимальной рабочей частотой. Встроенный генератор управляется цепью обратной связи (возможны варианты включения с гальванической развязкой оптопарой или с гальванической связью), что позволяет управлять рабочей частотой в ИП, построенных по резонансной топологии. Типовая схема включения микросхема представлена на рисунке 10.

Драйвер полумоста в IRS2548D имеет функцию защиты от перенапряжения, а также вход разрешения работы, совместимый с логическими уровнями. Вход разрешения работы может быть использован для ШИМ-регулирования яркости в случае использования светодиодного драйвера или при реализации режимов повышающего преобразователя.

Решения компании international Rectifier для систем светодиодного освещения

Микросхема IRS2548D может работать с входными напряжениями до 600 В, а выходные драйверы силовых транзисторов обеспечивают входной/выходной токи до 500 мА. Диапазон рабочих температур микросхемы составляет -55.150°С.

В качестве примера двухкаскадного светодиодного драйвера можно привести оценочную плату IRPLLED5, структурная схема и внешний вид которой представлены на рисунках 11 и 12. Плата представляет собой светодиодный драйвер мощностью до 90 Вт с питанием от сети переменного тока с напряжением 90.300 В. Номинальный выходной ток составляет 1,4 А. Оценочная плата обеспечивает защиту от короткого замыкания и пропадания нагрузки: при обрыве (отсутствии) нагрузки выходное напряжение ограничивается уровнем 60 В. Вход ШИМ с допустимыми уровнями входных напряжений 1.10 В позволяет управлять яркостью светильника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Компания International Rectifier предоставляет разработчикам систем LED-освещения широкий спектр решений, позволяющих реализовать практически любой светодиодный драйвер, отвечающий требованиям заказчика.

В случае специфических требований к системе освещения, касающихся условий эксплуатации или выходной мощности, ее построение можно проводить на основе компонентов, предназначенных для построения источников питания общего назначения. Такая система может, к примеру, содержать стандартный ККМ серии IR115x, резонансный преобразователь IRS27951/952, а также контроллеры синхронного выпрямления IRS1168/682. Данные наборы микросхем позволяют строить источники питания практически с неограниченными выходными мощностями.

Для изолированных драйверов с выходной мощностью 100.150 Вт можно использовать более простую двухкаскадную систему питания, реализуемую одной микросхемой IRS2548D. Для изолированных драйверов небольшой мощности (до 50.75 Вт) выгоднее строить драйвер на базе многофункционального корректора IRS2500.

Для построения выходных стабилизаторов тока в любой универсальной системе, а также в качестве однокаскадных неизолированных высоковольтных понижающих преобразователей, IR рекомендует применять простые и дешевые контроллеры серии IRS2541x или микросхему IRS2980.

TRIAL NEWS