Управляемый светодиодный драйвер на базе компонентов ST

5 ноября 2021

Игорь Елисеев (г. Химки)

Компания ST предлагает двухмодульный отладочный комплект на базе контроллера HVLED001B для разработки светодиодного драйвера светильника наружного освещения с дистанционным управлением по сети 6LoWPAN.

Несмотря на огромный ассортимент светодиодных драйверов, выпускаемых производителями источников питания, в ряде случаев невозможно подобрать подходящий вариант, полностью удовлетворяющий требованиям к осветительному прибору по совокупности технических и эксплуатационных характеристик. Серийным изделиям может не доставать какой-либо специфической характеристики или функции, либо ни одно из них не подходит по конструктивному исполнению, или же производителя светодиодных светильников не устраивают цены на готовые изделия – так или иначе, встает вопрос о разработке собственного светодиодного драйвера.

Разработка собственного источника питания, в том числе и светодиодного драйвера – далеко не тривиальная задача. Любое устройство, подключаемое к сети переменного тока общего назначения, должно соответствовать по техническим характеристикам многочисленным современным стандартам и нормативам, принятым в отрасли, важнейшие из которых – нормы по электромагнитной совместимости. Светодиодный драйвер, помимо стандартных требований к источникам питания, должен удовлетворять нормативам по пульсациям выходного тока в соответствии с санитарными нормами и правилами (СНиП), принятыми в области освещения. В целом, разработка светодиодного драйвера требует наличия высококвалифицированных специалистов и массы времени на макетирование и испытания. К счастью, некоторые производители электронных компонентов предлагают готовые решения, адаптируемые под конкретную задачу, что не займет много времени и не потребует наличия высококвалифицированных инженеров-разработчиков.

Одно из таких решений компании ST – отладочный комплект под названием STEVAL-LLL008V1 для разработки светодиодного драйвера с дистанционным управлением по сети 6LoWPAN.

Рис. 1. Модуль светодиодного драйвера (power board)

Рис. 2. Модуль связи и управления (connectivity board)

В состав комплекта входят два функциональных модуля, один из которых представляет собой собственно светодиодный драйвер (рисунок 1), а второй (рисунок 2) отвечает за формирование сигналов управления драйвером и за связь с беспроводной сетью. На рисунке 3 условно изображены структурные схемы модулей, их взаимодействие между собой, подключение внешней нагрузки (цепочки светодиодов) к выходу драйвера и связь с беспроводной сетью 6LoWPAN.

Рис. 3. Схема подключения светодиодного драйвера к нагрузке и к сети управления

Светодиодный драйвер (на рисунке 3 – выделенная пунктиром светло-зеленая область, обозначенная как «power board») рассчитан на работу в составе уличного светильника большой мощности, имеет высокий коэффициент полезного действия, встроенный корректор коэффициента мощности, гальваническую развязку между входом и выходом, а также низкие значения потребляемой мощности в отсутствие нагрузки, коэффициента нелинейных искажений и пульсаций тока на выходе. Драйвер выполнен по двухкаскадной схеме, где первый каскад выполняет функцию преобразователя с корректором коэффициента мощности, выдавая стабилизированное постоянное напряжение на второй (оконечный) каскад, служащий для непосредственного управления светодиодной нагрузкой. Основные технические характеристики драйвера приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики светодиодного драйвера

Входное переменное напряжение через сетевой фильтр и выпрямительный мост поступает на вход первого каскада, реализованного по схеме обратноходового преобразователя с корректором коэффициента мощности на базе микросхемы контроллера HVLED001B (рисунок 3, выделенная область под названием «Flyback topology»). Работа преобразователя основана на принципе периодического накопления определенной порции электрической энергии в цепи катушки индуктивности с последующей передачей кванта накопленной энергии в цепь нагрузки. В качестве накопителя энергии выступает многообмоточный дроссель, в первичную цепь которого включен мощный MOSFET, играющий роль ключевого транзистора (STF23N80K5 на рисунке). Когда транзистор открыт, через первичную обмотку дросселя начинает нарастать значение тока. Этот этап носит название прямого хода. При этом энергия в нагрузку не передается, так как диод во вторичной цепи (STTH30R03CG на рисунке) закрыт отрицательным напряжением на обмотке. Когда ключевой транзистор закрывается, ток в первичной обмотке начинает уменьшаться (обратный ход), протекая через открывшийся в результате смены полярности диод STTH108A. При этом меняется полярность и во вторичной обмотке, в результате чего ток через открывшийся диод STTH30R03CG начинает поступать в нагрузку. Меняя скважность импульсов на затворе управляющего транзистора, можно контролировать количество энергии, передаваемой из первичной цепи во вторичную, а следовательно, и выходную мощность нагрузки. За это отвечает микросхема контроллера, с выхода GATE DRIVER которой  управляющий сигнал ШИМ поступает на затвор ключевого транзистора. В данной схеме включения, именуемой PSR (Primary Side Regulation – регулирование по первичной цепи) сигнал управления силовым транзистором формируется, исходя из момента перехода через ноль и в зависимости от величины напряжения на обмотке дросселя во время обратного хода. С этой целью сигнал с дополнительной обмотки подается на вход ZCD (Zero Current Detection) контроллера. Так как напряжение на дополнительной обмотке дросселя прямо пропорционально напряжению во вторичной цепи, контроллер имеет возможность контролировать и компенсировать любые изменения напряжения в выходной цепи, независимо от того, чем они вызваны – колебаниями напряжения в сети или изменениями самой нагрузки. В результате на выходе преобразователя поддерживается стабильное напряжение. Необходимо отметить, что в реальной схеме светодиодного драйвера сигнал обратной связи с дополнительной обмотки дросселя поступает на вход ZCD контроллера не напрямую, как показано на рисунке 3, а через делитель напряжения. Меняя номиналы сопротивлений делителя, можно задавать величину выходного напряжения преобразователя.

В конструкции отладочной платы драйвера предусмотрены отдельные контакты, на которые выведены выходные цепи обратноходового преобразователя (первого каскада). В документации на отладочный комплект также приведены рекомендации, как отключить второй (оконечный) каскад и подключить нагрузку непосредственно к первому, превращая тем самым двухкаскадную схему драйвера в однокаскадную. Таким образом, пользователю предоставляется возможность исследовать работу простой схемы преобразователя, выполненного на базе одной микросхемы контроллера HVLED001B и одного силового транзистора STF23N80K5. Несмотря на простоту решения и относительно небольшое количество комплектующих, такой преобразователь представляет собой законченное полнофункциональное изделие – источник питания с корректором коэффициента мощности, с гальванической развязкой, с высокими показателями по коэффициенту полезного действия и уровню нелинейных искажений. Более того, возможности микросхемы контроллера HVLED001B позволяют реализовать на ее основе полноценный светодиодный драйвер, добавив к схеме всего несколько компонентов. Так как данный преобразователь выполняет функцию стабилизации выходного напряжения, а для светодиодного драйвера требуется стабилизация по току, то необходимо передавать информацию о величине выходного тока в цепь обратной связи контроллера. Для этой цели, а также для обеспечения гальванической развязки между компонентами схемы, применяется оптопара. Входные цепи оптопары непосредственно или через усилитель подключаются к датчику тока, включенного последовательно с нагрузкой. Роль такого датчика обычно выполняет высокоточный резистор небольшого сопротивления. Выходы оптопары включаются непосредственно в цепь обратной связи контроллера. У микросхемы контроллера HVLED001B предусмотрен специальный вход OPTO, предназначенный для подключения открытого коллектора выходного транзистора оптопары. Такой вариант включения микросхемы контроллера HVLED001B (с оптопарой в цепи обратной связи) называется SSR (Secondary Side Regulation – регулирование по вторичной цепи). Это вовсе не означает, что в данном случае полностью отменяется регулирование по первичной цепи, как описано выше. Все так же сигнал с дополнительной обмотки дросселя поступает на вход ZCD и учитывается в процессе принятия решения контроллером. Но теперь контроллер должен также учитывать сигналы с оптопары. Внутренняя схема контроллера определяет, какой из сигналов имеет более высокий приоритет, и, в зависимости от этого, формирует сигнал управления силовым транзистором.

Следует отметить еще несколько замечательных возможностей микросхемы контроллера HVLED001B. В первую очередь это – наличие высоковольтной схемы запуска. Схема запуска необходима для инициации работы контроллера в момент подключения драйвера к сети. Обычно для запитки схемы запуска используется невысокое напряжение, что предполагает наличие дополнительной низковольтной схемы питания. Для контроллера HVLED001B ничего такого не требуется, что существенно упрощает схему и конструкцию преобразователя. Вывод контроллера HVSU, предназначенный для инициации процедуры запуска, способен выдерживать напряжения до 800 В, что позволяет подключать его непосредственно к выходу сетевого мостового выпрямителя. Дополнительно этот вывод используется для контроля за сетевым напряжением. Вторая ключевая особенность контроллера HVLED001B – наличие нескольких схем защиты. Контроль за входным напряжением на выводе HVSU позволяет защититься от скачков напряжения в сети. Для защиты от перегрузок по току служит вывод контроллера CS, на который поступает напряжение с датчика тока (резистора небольшого сопротивления), включенного в цепь силового транзистора. Защита выходных цепей от короткого замыкания, перегрузки или перенапряжения осуществляется путем контроля за напряжением на выводе ZCD. Если преобразователь выполнен по схеме с оптопарой, то можно организовать дополнительный контроль за выходом. Например, если в выходной цепи установлен датчик тока, возможно регистрировать отсутствие нагрузки и отключать преобразователь. Наконец, третья особенность контроллера HVLED001B, о которой стоит упомянуть – это наличие встроенной схемы под названием ART (Auto Recover Timer — таймер автоматического восстановления). Этот таймер запускается после срабатывания защиты и с заданной периодичностью проверяет, не устранена ли проблема. Если причина срабатывания защиты исчезла, запускается нормальный режим работы контроллера.

Микросхема контроллера HVLED001B отлично подходит для создания нерегулируемых источников питания. Если же необходимо дистанционно управлять драйвером, например, регулировать выходной ток, в этом случае нужно применять двухкаскадную схему, как в рассматриваемом здесь отладочном комплекте, где функция регулировки возложена на оконечный каскад. В данном случае оконечный каскад выполнен по схеме, которая в англоязычной документации именуется «inverse buck converter» (понижающий преобразователь в обратном включении). На самом деле эта схема (выделенная область на рисунке 3, обозначенная как «Inverse buck») представляет собой обычный понижающий преобразователь, а термин «inverse», который можно перевести как «обратный» или «перевернутый», относится по сути к месту подключения силового транзистора (ключа). Действительно, в классической схеме понижающего преобразователя ключевой транзистор включен в схему со стороны шины питания, а здесь – со стороны земли. Подобная схема включения обусловлена тем, что управлять силовым транзистором со стороны земли намного проще. При этом принцип функционирования схемы преобразователя абсолютно ничем не отличается от классического варианта. Работа схемы основана на накоплении энергии в индуктивном элементе в то время, когда ключ открыт, и передаче накопленной энергии в нагрузку, когда ключ закрывается. Роль ключа в данном случае выполняет мощный MOSFET STL4N10F7. Когда транзистор открыт, ток протекает через нагрузку (цепочку светодиодов) и через катушку индуктивности. А когда транзистор закрывается, ток через катушку индуктивности начинает снижаться, из-за чего меняется полярность напряжения на ее выводах, что, в свою очередь, приводит к открытию диода, и ток начинает течь по цепи «индуктивность-диод-нагрузка». В определенный момент транзистор снова открывается, ток через индуктивность начинает нарастать, в результате чего полярность напряжения на ней меняется, диод закрывается и весь цикл повторяется снова. Очевидно, что максимальный ток нагрузки в точности соответствует той величине тока, которая была в момент закрытия ключевого транзистора. Таким образом можно контролировать величину тока нагрузки – закрывать транзистор ровно в тот момент, когда ток через него достигнет заданной величины. На этом принципе основана работа схемы управления, в качестве которой выступает микросхема контроллера HVLED002.

Рис. 4. Блок-схема контроллера HVLED002

Блок-схема контроллера HVLED002 приведена на рисунке 4. Напряжение питания поступает на вывод 7 контроллера (Vi). На рисунке 3 условно показано, что питание на вывод Vi поступает непосредственно с дополнительной обмотки дросселя. В реальной схеме светодиодного драйвера напряжение с дополнительной обмотки поступает сначала на управляемый линейный стабилизатор напряжения, и уже с его выхода идет на вывод Vi контроллера и на LDO-стабилизатор (Low Drop Output – линейный стабилизатор с низким падением напряжения) с напряжением  на выходе 3,3 В, которое используется для питания микроконтроллера на плате управления. За счет этого, не показанного на рисунке 3, стабилизатора осуществляется включение/выключение всего оконечного каскада через регулирование напряжения питания контроллера. В состав контроллера входит схема UVLO (UnderVoltage LockOut – отключение при снижении напряжения) которая отключает внутреннюю шину питания контроллера, если напряжение на входе Vi ниже допустимого уровня. Схема UVLO обладает гистерезисом – включается при напряжении на Vi больше 8,4 В и отключается, если это значение меньше 7,6 В. Для отключения оконечного каскада микроконтроллер снижает напряжение на выходе управляемого стабилизатора до низкого уровня (примерно 5,5 В), что недостаточно для работы контроллера HVLED002, но вполне подходит для функционирования самого микроконтроллера. Для включения оконечного каскада микроконтроллер производит обратное действие – поднимает напряжение управляемого стабилизатора выше 8,4 В, но не более 30 В (предельно допустимое напряжение на входе Vi контроллера).

Выходной каскад контроллера работает в ключевом режиме, находясь либо во включенном состоянии, когда напряжение на выходе OUTPUT практически совпадает с питающим (как на входе Vi), либо в выключенном, когда выходное напряжение близко к нулю. Сигналы на включение и выключение поступают от внутренних схем контроллера, которые, в свою очередь, получают управляющие сигналы извне, от элементов схемы преобразователя. Контроллер HVLED002 может быть включен в состав схемы преобразователя несколькими способами. Вариант схемы включения, используемый в данном светодиодном драйвере, представлен в упрощенном виде на рисунке 5.

Рис. 5. Упрощенная схема включения контроллера HVLED002

Когда на выходе OUTPUT контроллера – высокое значение напряжения, открывается ключевой транзистор Q2, и ток, постепенно нарастая, начинает протекать через нагрузку (цепочку светодиодов), далее – через катушку индуктивности L, открытый транзистор Q2 и резистор Rs. Одновременно открывается транзистор Q1, разряжая конденсатор CT. Напряжение с резистора Rs, пропорциональное току нагрузки, поступает на вход контроллера Isense. Внутренняя схема компаратора (CURRENT SENSE COMPARATOR на рисунке 4) сравнивает значение напряжения на входе Isense с частью напряжения, которое формируется на выходе усилителя рассогласования, обозначенного как ERROR AMP (усилитель ошибки). Усилитель рассогласования, в свою очередь, сравнивает напряжение на входе обратной связи VFB  с высокоточным опорным 2,5 В ± 2%. Пока напряжение на входе VFB ниже 2,5 В, усилитель рассогласования вырабатывает сигнал положительной полярности, пропорциональный разнице напряжений на входе VFB и опорного 2,5 В. Далее это напряжение через два последовательно соединенных диода и делитель напряжения 2R-R поступает на вход компаратора. Таким образом, значение напряжения на входе компаратора должно быть равно одной трети от напряжения на выходе усилителя рассогласования за вычетом падения напряжения на диодах (1,4 В). Так и есть до тех пор, пока это напряжение не превышает величину MAXCS (напряжение открытия стабилитрона), которое равно 267 ± 9 мВ. Так как в данном случае напряжение на входе VFB равно нулю, то напряжение на выходе усилителя рассогласования имеет максимально возможное положительное значение (не более 5,6 В из-за наличия внешнего стабилитрона), а следовательно, напряжение на инвертирующем входе компаратора (CURRENT SENSE COMPARATOR) будет в точности равно MAXCS. Как только значение напряжения на входе Isense превысит данную величину, выходной каскад отключится, и напряжение на выходе OUTPUT упадет до нуля, закрывая транзисторы Q1 и Q2. Ток через нагрузку, постепенно снижаясь, продолжит течь через открывшийся диод D за счет энергии, накопленной в катушке индуктивности L. Одновременно стартует процесс заряда конденсатора CT через резистор RT от источника опорного напряжения VREF (5,0 ± 0,05 В). Когда напряжение на конденсаторе CT достигает заданного уровня, встроенный компаратор выдает сигнал на включение. На выходе OUTPUT контроллера появляется высокое напряжение, транзисторы Q1 и Q2 открываются, и весь рабочий цикл повторяется. Данный алгоритм работы носит название FOT (Fixed Off-Time – фиксированное время отключения). То есть, время нахождения ключевого транзистора в отключенном (закрытом) состоянии строго фиксировано и определяется постоянной времени RC-цепочки, образованной резистором RT и конденсатором CT. Следует отметить, что величина пульсаций тока нагрузки напрямую зависит от времени закрытого состояния транзистора. Для снижения уровня пульсаций необходимо уменьшать постоянную времени RC-цепочки. Но при этом необходимо учитывать тот факт, что при уменьшении постоянной времени RC-цепочки возрастает частота переключений, которая согласно документации на контроллер HVLED002 не должна превышать 500 кГц. Сказанное выше иллюстрируют осциллограммы на рисунке 6: зеленым цветом показана кривая тока нагрузки, желтый цвет соответствует напряжению на выводе OUTPUT контроллера (и, соответственно, на стоке ключевого транзистора), а синим светом обозначено напряжение диммирования (в данном случае – постоянная величина).

Рис. 6. Осциллограммы работы выходного каскада в отсутствие сигналов димминга

Как уже упоминалось, сигналы внешнего управления (диммирование и включение/выключение) формируются микроконтроллером, который располагается на втором модуле отладочного комплекта (рисунок 2). Этот модуль подключается к плате драйвера с помощью специального разъема. Важно отметить, что если не подключать модуль управления, то необходимо с платы драйвера удалить резистор R62 номиналом 1,0 кОм, иначе выходной каскад работать не будет.

ШИМ-сигнал диммирования, формируемый микроконтроллером (условно обозначенным на рисунке 5 как µC), с одного из выходов (GPIO) поступает на вход VFB контроллера HVLED002 через промежуточные цепи, которые для простоты не показаны. В моменты, когда ШИМ-сигнал имеет низкое значение (напряжение, близкое к нулю), контроллер работает как обычно. Но при высоком уровне сигнала (3,3 В) напряжение на входе VFB контроллера становится выше опорного (2,5 В), в результате чего напряжение на выходе усилителя рассогласования (а, следовательно, и на инвертирующем входе компаратора) падает до нуля, что вызывает срабатывание компаратора и, как следствие, отключение выходного каскада контроллера. Осциллограммы токов и напряжений в узлах схемы преобразователя в режиме диммирования показаны на рисунке 7, где зеленым цветом обозначен ток нагрузки, желтым – сигнал OUTPUT на выходе контроллера (что также соответствует напряжению на стоке и току через силовой MOSFET), а голубым – импульсы ШИМ-сигнала диммирования.

Рис. 7. Осциллограммы работы выходного каскада в режиме диммирования

Микроконтроллер STM32L071KZ с прошивкой (firmware) STSWLLL008FW. в свою очередь, управляется командами, поступающими из беспроводной сети 6LoWPAN посредством модуля трансивера SPSGRFC на 868 МГц (рисунок 8).

Рис. 8. Модуль трансивера SPSGRFC

6LoWPAN расшифровывается как «IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks» – IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей. Термин «маломощная беспроводная персональная сеть» в этом определении относится к сетям стандарта IEEE 802.15.4, а IPv6 (Internet Protocol version 6) – это новая версия интернет-протокола (IP), пришедшая на смену широко применяемому в настоящее время протоколу IPv4. Главное отличие IPv6 от IPv4 заключается в длине адреса – 128 бит, в то время как в старом протоколе используется 32-битный адрес. В связи с лавинообразным ростом сети интернет количество свободных 32-битных IP-адресов быстро заканчивается. Главным образом это связано с широким внедрением интернета вещей. Каждому из устройств новой технологии требуется индивидуальный IP-адрес. В сетях стандарта IEEE 802.15.4 также применяется индивидуальная адресация, где в качестве адреса используется уникальный 64-битный идентификатор устройства. Для того, чтобы адресоваться к индивидуальному устройству в локальной сети стандарта IEEE 802.15.4 из глобальной сети интернет, достаточно присвоить локальной сети уникальный 64-битный идентификатор, который будет использоваться как старшая часть IPv6 адреса (старшие 64 бита, обычно именуемые префиксом), а младшие 64 бита будут соответствовать адресу в локальной сети. Что касается самих сетей стандарта IEEE 802.15.4, они достаточно медленные, скорость обмена данными в них составляет обычно всего несколько сотен килобит в секунду (в данном случае у трансивера SPSGRFC скорость передачи данных может достигать 500 кбайт/с, что можно считать достаточно высоким показателем), они не предназначены для обмена большими массивами данных. Но высокие скорости и большие объемы передаваемых данных в этих сетях и не требуются. Такие сети находят широкое применение в локальных системах автоматизации и управления, таких как умный дом, или, как в данном случае, в системе уличных светильников, где данные передаются небольшими пакетами и с низкой периодичностью. Чтобы управлять отдельными компонентами этой сети, требуется устройство, непосредственно с ней связанное, являющееся ее частью. Благодаря появлению стандарта 6LoWPAN появилась возможность прямого удаленного адресного управления отдельными  устройствами в сетях IEEE 802.15.4 через интернет.

Для отладки и изучения возможностей управления светодиодным драйвером посредством беспроводной сети компания ST предлагает отладочную плату NUCLEO-F401RE в комплекте с модулем беспроводной связи X-NUCLEO-IDS01A4 и модулем Bluetooth X-NUCLEO-IDB05A2 для коммуникации с мобильным устройством. В дополнение к аппаратным средствам необходимо разработанное ST Android-приложение, которое можно скачать из Google Play. Полное название этого приложения – ST 6LoWPAN Smart Streetlight.

Таким образом, компания ST обеспечивает разработчиков полным комплектом аппаратных и программных средств, необходимых для создания светодиодных драйверов высокого качества с превосходными техническими характеристиками на современной элементной базе. Кроме того, документация на отладочный комплект STEVAL-LLL008V1 содержит огромное количество полезной информации, необходимой для более глубокого ознакомления с принципами работы и характеристиками драйвера. В частности, документация содержит полные принципиальные схемы светодиодного драйвера и платы управления, полный перечень электронных компонентов с указанием номиналов, наименований и производителей, множество графиков и диаграмм, демонстрирующих зависимости между параметрами и характеристиками, и, что представляет особый интерес, реальные осциллограммы токов и напряжений в контрольных точках схемы драйвера в различных режимах работы. Представлены даже тепловые карты платы драйвера (снятые тепловизором) при полной нагрузке, с  двух сторон, при двух режимах работы. Нет никаких сомнений в том, что всего этого с лихвой хватит любому разработчику, даже не обладающему достаточным опытом в разработке источников питания, для создания качественного светодиодного драйвера с заданными характеристиками на базе электронных компонентов компании ST.