Управление современным светодиодным освещением с точки зрения Infineon

19 сентября 2016

светотехникаInfineonстатьяLED

От микросхем регуляторов тока и MOSFETs до контроллеров управления освещением – таков диапазон изделий, предлагаемых компанией Infineon для современных светодиодных решений. В статье рассказано о наиболее популярных решениях компании для этого рынка – регуляторах ICL5101 и IRS2505L, многорежимном контроллере IRS2982S, импульсном понижающем регуляторе ILD2111, многорежимном контроллере с функцией диммирования ICL8105 и других.

Обладающие огромными потенциальными возможностями по энергосбережению, светодиодные системы освещения сегодня становятся все более интеллектуальными и ориентированными на потребности конечных пользователей. А некоторые производители предлагают подобные продукты с еще более расширенным спектром возможностей. Вполне вероятно, что светодиодное освещение станет органичным элементом в составе интеллектуальных зданий и умных городов будущего.

Ассортимент предлагаемых Infineon продуктов и решений для светодиодного освещения сегодня варьируется от микросхем регуляторов тока и МОП-транзисторов (MOSFET) в качестве выходных каскадов для них, до микроконтроллеров, датчиков и других компонентов, которые могут быть использованы в качестве элементов интерфейса при организации взаимодействии с интеллектуальными светильниками.

На рынке представлены следующие продукты и решения Infineon:

  • микросхемы регуляторов на базе фирменного платформенного подхода к созданию светодиодных драйверов коммерческих систем внутреннего и наружного освещения;
  • всеобъемлющий ассортимент высоковольтных (CoolMOS) и низковольтных (OptiMOS) MOSFET;
  • высокоэффективные микросхемы линейных и импульсных регуляторов для управления многострочными светодиодными массивами;
  • микроконтроллеры со специализированной периферией для интеллектуальных систем освещения, которые значительно упрощают процесс проектирования и использования за счет объединения в одном корпусе функций преобразования энергии, диммирования и коммуникации;
  • сенсорные датчики для реализации эффекта присутствия, обеспечивающие дополнительную экономию электроэнергии;
  • недорогие и простые микросхемы регуляторов LED для светодиодных ламп – ретрофитов.

На рисунке 1 графически отображены основные типы выпускаемых Infineon полупроводниковых компонентов для светодиодных систем освещения. Весь ассортимент поделен на преобразователи энергии и компоненты для интерфейса и взаимодействия с интеллектуальными системами освещения.

Рис. 1. Преобразователи энергии и компоненты управления Infineon для LED освещения

Рис. 1. Преобразователи энергии и компоненты управления Infineon для LED-освещения

Преобразователи энергии делятся на первичные регуляторы с повышенным рабочим напряжением, работающие от сети переменного тока, и вторичные с напряжением до 250 В. В первичных преобразователях используется фирменная технология CoolMOS, а во вторичных – OptiMOS. В каждой из категорий представлены микросхемы аналоговых, импульсных (digital power – .dp) преобразователей и микроконтроллеры из серий XMC.

В таблице 1 представлены высоковольтные первичные (Primary side по классификации компании) регуляторы и MOSFET Infineon для создания светодиодных систем освещения. Они способны работать непосредственно от сети переменного тока. Таблица 2 включает низковольтные вторичные регуляторы (Secondary side) Infineon аналогичного назначения.

Таблица 1. Первичные регуляторы LED Infineon

Серия Функциональное
построение
Технология
MOSFET
Класс
по напряжению
Применение
ICL5101 ККМ+LLC (постоянные ток/напряжение) CoolMOS™ CE 500 В/600 В Регулятор LED
CoolMOS™ P6 600 В
XMC1200/1300 CoolMOS™ CE 500 В/600 В
XMC1200/1300 ККМ + Flyback (одно/двух каскадный) CoolMOS™ CE 500 В/600 В
ICL8105 ККМ/Flyback (однокаскадный) CoolMOS™ CE 800 В
CoolMOS™ C3 900 В
ICL8002G CoolMOS™ CE 500 В/600 В Фазовый регулятор LED
с затемнением
IRS2505 ККМ CoolMOS™ CE 500 В/600 В Регулятор LED
TDA4863 CoolMOS™ CE 500 В/600 В
ICL8201 Понижающий (однокаскадный) CoolMOS™ CE 500 В/600 В Регулятор для потолочных, трубчатых светильников LED
IRS25411 Понижающий (двух каскадный) CoolMOS™ CE 500 В/600 В Регулятор LED
ILD2111 OptiMOS™ 100 В/150 В/200 В/250 В

На переходном этапе от традиционных источников света к светодиодным последние обеспечивают ряд преимуществ. Однако при этом производители сталкиваются и с рядом проблем.

Таблица 2. Вторичные регуляторы LED Infineon

Серия Топология Технология MOSFET Класс по напряжению Применение
BCR Линейная Интегральная (внешний транзистор для BCR450) Регуляторы лент LED, многоканальных систем LED
ILD4000 Импульсная понижающая Интегральная (OptiMOS™ для ILD4001) 30 В/60 В Регулятор LED повышенной мощности
ILD6000 Интегральная Регулятор LED повышенной мощности
IRS25411 OptiMOS™ 100 В/150 В/200 В/250 В Регулятор LED повышенной мощности
ILD2111 OptiMOS™ 100 В/150 В/200 В/250 В Регуляторы LED
XMC1200/1300 OptiMOS™ 100 В/150 В/200 В/250 В Многоканальные системы LED
ILD1151 Импульсная понижающая/повышающая OptiMOS™ 60 В/100 В Регулятор DC-DC для LED повышенной мощности

Преимущества LED освещения:

  • пониженное энергопотребление;
  • длительный срок службы, сокращение затрат на ремонт и эксплуатационные расходы;
  • интеллектуальные светильники позволяют настраивать цветовую палитру освещения.

Проблемы LED освещения:

  • очень короткие инновационные циклы приводят к:
    • риску упустить время для выхода на рынок;
    • повышенным расходам на исследования и разработки;
    • риску морального устаревания готовой продукции на складах.
  • изменяющиеся потребности рынка и повышенная конкуренция затрудняют охват всего спектра светодиодных систем освещения.

На светодиоды долгое время приходилась значительная часть стоимости светильников, большая, чем стоимость других электронных компонентов, включая микросхемы регуляторов, мощные транзисторы и компоненты для защиты светодиодов. При том что сегодня светодиодное освещение становится все доступнее, стоимостная доля управляющих компонентов в общем составе комплектующих изделия становится все более значимой.

С расширением сфер применения LED светильников они получают ряд дополнительных возможностей за счет более совершенной и дорогой системы управления источниками света. Это, в свою очередь, приводит к повышению стоимости и сроков разработки новых устройств освещения. Таким образом, на повестку дня выходит проблема упрощения процесса проектирования и сокращения циклов разработки новых изделий.

В решении этих задач помогают новые, легко интегрируемые в систему модули LED и регуляторы мощности, снижающие уровень сложности конструкций светильников. Гибкое управление светодиодами при различных уровнях питающего тока и в разных конфигурациях эксплуатации обеспечивают недоступные ранее в традиционных источниках света и появляющиеся лишь сегодня инновационные возможности в области освещения.

Для того, чтобы все эти возможности стали общедоступными при проектировании светильников, разработчикам светодиодных драйверов порой приходится решать уникальные задачи. Для отдельных проектов зачастую требуются специализированные регуляторы. Относительное несовершенство выбранных схем управления, связанных с диммированием и другими специальными функциями, может сделать конструкцию регулятора освещения слишком сложной и дорогостоящей.

Ряд проблем при проектировании также может создавать конкретное предназначение светильника. Для омываемого дождем уличного светильника или потолочной лампы с питанием от сети переменного или источника постоянного тока требования к управляющей электронике будут совершенно разные.

С учетом всех особенностей эксплуатации и предъявляемых требований наиболее остро сегодня стоят задачи по стандартизации и удешевлению циклов разработки и внедрения в массовое производство светодиодных источников и систем освещения в целом. Способствовать решению этих задач призваны и разнообразные типы современных регуляторов компании Infineon.

Регуляторы светодиодного освещения Infineon

Полупроводниковые регуляторы светодиодного освещения (драйверы LED) предназначены для поддержания на заданном уровне питающего тока в промышленных и уличных светильниках, включая высотные мачтовые прожекторы. Подобные системы освещения, как правило, отличаются значительно повышенными требованиями с точки зрения эффективности, коэффициентов мощности, нелинейных искажений и сроков эксплуатации системы в сравнении с обычными светодиодными лампами-ретрофитами.

К настоящему времени для систем светодиодного освещения разработаны разнообразные по топологии типы преобразователей энергии. Для номинальной мощности ниже 50 Вт довольно распространенными являются однокаскадные, обратноходовые конверторы (топология flyback) с коррекцией коэффициента мощности (ККМ). Для регуляторов повышенной мощности все чаще применяется топология с отдельным каскадом для коррекции ККМ и выделенный каскад для обратноходового или резонансного преобразователя типа LLC.

В зависимости от назначения используются импульсные двухкаскадные преобразователи с понижением и повышением (back/boost) выходного напряжения, изолированные (с гальванической развязкой) и неизолированные (без гальванической развязки) между первичными и вторичными цепями.

Учитывая тот факт, что на рынке светодиодных драйверов не существует какой-либо доминирующей топологии, Infineon предлагает микросхемы LED драйверов с поддержкой различных топологий и функций.

Продукты компании Infineon для светодиодных систем освещения включают аналоговые регуляторы, которые созданы для жестко заданных условий применения, конфигурируемые цифровые микросхемы, которые могут ускорить процесс вывода нового продукта на рынок и, наконец, микроконтроллеры, обеспечивающие расширенные возможности как при разработке, так и при эксплуатации светодиодных светильников.

ICL5101 – комбинированный регулятор c ККМ/LLC

Комбинированный регулятор ICL5101 (рисунок 2) включает в себя контроллер полумостового выходного каскада с поддержкой ККМ. Минимум требующихся внешних компонентов и небольшой форм-фактор готовой конструкции делают ICL5101 идеальным выбором для компактных светодиодных светильников. Все рабочие параметры микросхемы настраиваются внешними резисторами.

Рис. 2. Схема регулятора на основе ICL5101

Рис. 2. Схема регулятора на основе ICL5101

Всеобъемлющий набор функций защиты включает регулируемую внешнюю защиту от перегрева и от емкостной перегрузки, что гарантирует обнаружение неисправности и повышает безопасность системы.

Особенности ICL5101:

  • регулировка в источниках с поддержанием постоянного тока или напряжения;
  • коэффициент мощности (КМ) > 0,96, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) < 10%;
  • обеспечивает диммирование светового потока до уровня 1%;
  • комбинированная схема ККМ/LLC наилучшим образом соответствует синхронизации каскадов ККМ и LLC;
  • расширенный диапазон входных напряжений 90…305 В.

Для разработки изделий на основе регулятора ICL5101 имеется оценочная плата EVALLEDICL5101E1.

IRS2982S – многорежимный контроллер ККМ/flyback

Поддерживающий несколько режимов работы контроллер IRS2982S позволяет создать обратноходовой преобразователь с изолированным выходом, работающий в режиме генерации постоянного напряжения (рисунок 3). Кроме того, на основе IRS2982S можно реализовать импульсные неизолированные преобразователи с повышением и понижением напряжения (flyback back/boost).

Рис. 3. Схема изолированного регулятора на основе IRS2982S

Рис. 3. Схема изолированного регулятора на основе IRS2982S

IRS2982S включает в себя высоковольтную цепь запуска для ускоренного зажигания светодиодов, имеется также источник опорного напряжения с температурной компенсацией и усилитель ошибки.

IRS2982 идеально подходит для одноступенчатого преобразователя при работе от источника питания с высоким уровнем пульсаций, при этом контроллер обеспечивает высокий коэффициент мощности и низкий КНИ.

Особенности IRS2982S:

  • поддержка постоянного напряжения в режиме изолированного обратноходового преобразователя или постоянного тока в режиме неизолированного обратноходового преобразователя;
  • высоковольтная цепь (600 В) запуска сокращает время зажигания светодиодов до 0,5 c;
  • непосредственная обратная связь обеспечивает высокую точность регулировки;
  • высокий КМ и низкий КНИ;
  • работа в режиме критической проводимости (CrCM);
  • режим прерывистой проводимости (Discontinuous-Conduction Mode – DCM) при небольшой нагрузке обеспечивает минимальное время выключения;
  • пакетный режим (burst) обеспечивает сверхнизкое напряжение на холостом ходу;
  • защита от перенапряжения при отключенной нагрузке.

Для разработки изделий на основе регулятора IRS2982S имеется оценочная плата IRXLED04.

IRS2505L – недорогой регулятор с ККМ

Недорогой и компактный регулятор профессионального уровня для светодиодного освещения мощностью до 150 Вт позволяет создать IRS2505L. Микросхема включает в себя ККМ, работает в режиме критической проводимости, обеспечивает коммутацию пульсирующего питающего напряжения в момент перехода через ноль. Многофункциональные входы позволяют реализовать множество функций в пятивыводном корпусе. Микросхема может работать в режиме обратноходового, понижающего и повышающего импульсного преобразователя.

На рисунке 4 представлена схема на основе IRS2505L для бюджетного варианта светодиодного регулятора с ККМ.

Рис. 4. Схема регулятора на основе IRS2505L

Рис. 4. Схема регулятора на основе IRS2505L

Особенности IRS2505:

  • пятивыводной повышающий регулятор с ККМ;
  • меньшая на 70% в сравнении с традиционными корпусами SO8 площадь корпуса SOT23-5;
  • высокий коэффициент мощности и низкий КНИ в широком диапазоне входных напряжений;
  • отсутствие необходимости во вспомогательной обмотке для реализации схемы ККМ;
  • низкие потери переключения, обеспечиваемые режимом сверхпроводимости (Critical Conduction Mode – CrCM);
  • защита от превышения напряжения на выходе;
  • коммутация пульсирующего источника питания в момент перехода через ноль;
  • пошаговая (cycle-by-cycle) защита от перегрузки по току;
  • очень низкие потери, обеспечиваемые запуском в режиме минимальной мощности.

ILD2111 – импульсный понижающий регулятор DC/DC

Высокоэффективный настраиваемый понижающий регулятор ILD2111 предназначен для использования в качестве источника постоянного тока с регулировкой гистерезиса выходного тока. Используется для питания светильников LED мощностью от 10 Вт до 150 Вт, включая профессиональные системы освещения, поддерживает управление уровнем выходного тока с помощью простого резистора. Имеется интегрированная схема для управления диммированием с использованием внешнего сигнала ШИМ (рисунок 5).

Рис. 5. Схема регулятора на основе ILD2111

Рис. 5. Схема регулятора на основе ILD2111

Устройство работает в режиме импульсного преобразователя с понижением напряжения, в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode – CCM), автоматически выбирает оптимальную рабочую частоту и пульсации выходного тока. Рабочие характеристики могут быть индивидуально настроены через ряд параметров. Параметры защиты и уровень тока могут быть установлены через интерфейс UART.

Контроллер обеспечивает защиту от перегрузки, от обрыва и замыкания в нагрузке, а также интеллектуальную защиту от перегрева.

Особенности ILD2111:

  • расширенный диапазон входных напряжений DC от 2,5 В до 1,6 кВ;
  • широкий диапазон выходных напряжений: 15…55 В DC;
  • поддержка регулировки уровня выходного тока с помощью внешнего задающего резистора;
  • цифровая настройка основных параметров, включая выходной ток и функции защиты;
  • согласованное по фазе диммирование без мерцания с помощью ШИМ до уровня 1%;
  • автоматический выбор оптимальной частоты переключения и пульсаций выходного тока.

Для разработки изделий на основе регулятора ILD2111 имеется оценочная плата EVALLEDILD2111E1.

ICL8105 – многорежимный ККМ/flyback-контроллер с внешней регулировкой диммирования

Многорежимный обратноходовой (flyback) преобразователь с ККМ и внешней цепью управления диммированием (0…10 В), предназначен для LED-светильников мощностью от 10 до 80 Вт.

Цифровое ядро ICL8105 и усовершенствованные алгоритмы управления обеспечивают поддержку сразу нескольких режимов работы, включая квазирезонансный, прерывистую проводимость и пакетный режим. Благодаря таким функциональным возможностям и плавному переходу между режимами контроллер отличается высокой эффективностью, большим коэффициентом мощности и низкими гармоническими искажениями (КНИ) во всем диапазоне нагрузок (рисунок 6). Опциональная активация пакетного (burst) алгоритма управления значительно расширяет диапазон диммирования за счет соответствия частоте сети удается избежать таких эффектов, как мерцание или переливы света, а также снизить низкочастотный шум.

Рис. 6. Схема регулятора на основе ICL8105

Рис. 6. Схема регулятора на основе ICL8105

Особенности ICL8105:

  • широкий диапазон входных напряжений: 90…305 В AC;
  • широкий диапазон выходных напряжений: 15…55 В DC;
  • плавная расширенная регулировка диммирования;
  • ускоренное проектирование и упрощенный запуск проектов в производство;
  • изолированная цепь управления диммированием (0…10 В) с настраиваемой характеристикой;
  • интеллектуальное терморегулирование;
  • высокий уровень интеграции и минимум дополнительных комплектующих.

Для разработки изделий мощностью от 20 до 80 Вт на основе регулятора ICL8105 имеется оценочная плата EVALLEDICL8105E1. Демонстрационная плата EVALLEDICL8105F2 представляет собой регулятор на 40 Вт.

Программатор .dp Vision

Упростить жизнь разработчикам и ускорить создание новых систем светодиодного освещения на основе цифровых преобразователей .dp Infineon призван созданный компанией программатор .dp Vision.

Запускаемый на компьютере графический интерфейс .dp Vision позволяет в процессе разработки схемы настраивать параметры регуляторов мощности Infineon, которые могут быть легко адаптированы под требования конкретного конечного устройства.

Исследуемый регулятор мощности подключается к порту USB через адаптер .dp Interface Gen2, который обеспечивает гальваническую развязку электрических цепей регулятора мощности и компьютера.

Программное обеспечение .dp Vision обеспечивает настройку аппаратной конфигурации, процесс запуска и отключения, настройку защиты и контура управления, ККМ, диммирование, контроль температуры, выбор режима и другую точную регулировку.

Линейные регуляторы светодиодного освещения

Линейные регуляторы Infineon из серии BCR идеально подходят для управления протекающими через светодиоды токами 10…250 мА и являются оптимальным выбором для светильников малой и средней мощности общего назначения.

Подобное полностью аналоговое решение отличается минимальной стоимостью, требует лишь нескольких дополнительных компонентов, занимает минимум пространства на печатной плате устройства. Уровень светового потока можно регулировать с помощью внешнего резистора. Управление по методу ШИМ поддерживается с помощью микроконтроллера либо внешнего цифрового транзистора. Благодаря отрицательному тепловому коэффициенту светодиодная нагрузка будет защищена от перегрева.

В таблице 3 представлены выпускаемые Infineon линейные регуляторы малой мощности c максимальным выходным током до 65 мА и общей рассеиваемой мощностью до 750 мВт.

Таблица 3. Линейные регуляторы LED Infineon малой мощности

Серия Назначение Топология Vмин., В Vмакс., В Iтип., мА Iмакс., мА Затемнение Корпус Pмакс., мВт
BCR205W Регулятор LED Линейная 1,8 18 0,5 внешний переключатель нет SOT343 100
BCR401U Регулятор LED малой мощности Линейная 1,4+VLED 40 10 65 Цифровое SC74 750
BCR401W Регулятор LED малой мощности Линейная 1,2+VLED 18 10 60 Цифровое SOT343 500
BCR402U Регулятор LED малой мощности Линейная 1,4+VLED 40 20 65 Цифровое SC74 750
BCR402W Регулятор LED малой мощности Линейная 1,4+VLED 18 20 60 Цифровое SOT343 500
BCR405U Регулятор LED малой мощности Линейная 1,4+VLED 40 50 65 Цифровое SC74 750

Микромощный регулятор BCR205W требует использования внешнего транзистора для подключения нагрузки, типовой выходной ток у этого регулятора лишь 0,5 мА.

В таблице 4 представлены регуляторы из этой же серии BCR c максимальным выходным током до 300 мА при общей рассеиваемой мощности до 1 Вт.

Таблица 4. Линейные регуляторы LED Infineon повышенной мощности

Серия Назначение Топология Vмин., В Vмакс., В Iтип., мА Iмакс., мА Затемнение Корпус Pмакс., Вт
BCR320U Регулятор LED средней мощности Линейная 1,4+VLED 24+VLED 250 300 нет SC74 1
BCR321U Регулятор LED средней мощности Линейная 1,4+VLED 24+VLED 250 300 Цифровое SC74 1
BCR420U Регулятор LED средней мощности Линейная 1,4+VLED 40+VLED 150 200 нет SC74 1
BCR421U Регулятор LED средней мощности Линейная 1,4+VLED 40+VLED 150 200 Цифровое SC74 1
BCR450 Регулятор LED Линейная 3 27 70 внешний переключатель Цифровое SC74 0,5
TLE4309G Регулятор LED большой мощности Линейная 4,5 24 500 500 Цифровое TO263

Все регуляторы Infineon серии BCR производятся в компактных корпусах под планарный монтаж. Среди регуляторов повышенной мощности компания выпускает также модель TLE4309G в корпусе с теплоотводом ТО263.

BCR450 оптимизирован для использования с внешним мощным транзистором для управления светодиодной нагрузкой с током потребления более 100 мА.

Рассмотрим в качестве примера схему управления светодиодной линейкой с помощью регулятора BCR320U, совместно с которым опционально может быть использован выпрямительный мост (в данном случае BAS3007A-RPP) для защиты светодиодов от возможной переполюсовки напряжения источника питания 24 В (рисунок 7).

Рис. 7. Регулятор для светодиодной ленты с Iout 65…200 мА

Рис. 7. Регулятор для светодиодной ленты с Iout 65…200 мА

Особенности и достоинства схемы регулятора на BCR320U:

  • однородная светоотдача при работе с разными лентами источников LED независимо от напряжения питания;
  • простая схема с минимумом компонентов;
  • удобная регулировка внешним резистором выходного тока в пределах от 10 мА до 250 мА;
  • прямой интерфейс с микроконтроллером для цифрового управления световым потоком с использованием ШИМ;
  • отрицательный тепловой коэффициент, продлевающий срок службы светодиодов;
  • возможность рассеивания высокой мощности;
  • возможность использования в схеме BCR320U/BCR321U/BCR421U.

Для того, чтобы разработчики могли более детально ознакомиться с возможностями подобных схемных решений, Infineon выпускает оценочную плату BCR320U HW для управления светодиодами в конфигурации до 6 строк по 0,5 Вт.

Заключение

Современные микросхемы полупроводниковых регуляторов для светодиодных систем освещения используют разнообразные схемотехнические решения и алгоритмы управления. Они позволяют добиваться высокой эффективности в разнообразных преобразователях энергии для питания светодиодных источников света.

Предлагаемый компанией Infineon ассортимент полупроводниковых продуктов для систем светодиодного освещения удовлетворяет самым взыскательным требованиям разработчиков и производителей. Данная статья представляет собой лишь краткий обзор ознакомительного характера по некоторым из широко используемых микросхем производства Infineon для светодиодного освещения.

Литература

  1. http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-ApplicationBrochure_General_Lighting_Brochure-ABR-v01_00-EN.pdf?fileId=db3a304327b897500127f76de0b2654b
  2. http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Power_Management_Selection_Guide_2016-SG-v00_00-EN.pdf?fileId=5546d4624fb7fef2015013e5e7f7495c
  3. http://www.youblisher.com/p/1069874-Electronics-Maker-February-2015-issue/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт. В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню р ...читать далее