№1 / 2017 / статья 7

Драйверы HVLED: освещая дорогу в будущее

Алексей Гурвич (КОМПЭЛ)

Интегральные LED-драйверы семейства HVLED от STMicroelectronics – идеальный выбор для построения преобразователей питания светодиодных светильников для наружного и внутреннего освещения с контролем параметров и выходной мощностью до 75 Вт, а в случае двухступенчатой схемы – до 150 Вт.

В далеком 1907 году Генри Джозеф Раунд проводил эксперименты с карбидом кремния, используя его для детектирования радиосигналов. Ученый заметил, что в определенных условиях при подаче напряжения на SiC-кристалл последний начинал излучать свет. Раунд назвал это явление «любопытным феноменом». Позже эффект был назван электролюминесценцией и послужил основой для развития всей светодиодной техники. Первые светодиоды красного и красно-желтого излучения не могли похвастаться хорошим световым потоком. Их использовали в основном в качестве различных индикаторных устройств. Новые научные изыскания и постоянно совершенствующиеся технологии двигали отрасль вперед, и современная светодиодная продукция обладает отличными показателями световой отдачи, длительным сроком службы и малыми мощностями потерь.

Широкие возможности применения светодиодов и их непрерывно улучшающиеся характеристики – ключевые факторы растущего рынка светодиодной продукции. Соответственно, повышаются и требования к источникам питания. В частности, их мощность возросла от 3…15 Вт до сотен Вт. Не менее важными параметрами этих источников являются энергоэффективность, коэффициенты мощности и нелинейных искажений.

Компания STMicroelectronics предлагает широкую линейку LED-драйверов для различных применений, включая общее освещение, подсветку дисплеев, решения для автомобильной промышленности, различные сигнальные и информационные панели (рисунок 1).

Рис. 1. Линейки микросхем питания LED производства компании STMicroelectronics

Рис. 1. Линейки микросхем питания LED производства компании STMicroelectronics

Рассмотрим подробнее линейку HVLED (рисунок 2). Драйверы HVLED807/815 совмещают в одном корпусе высоковольтный транзистор MOSFET на 800 В и ШИМ-контроллер. Серия HVLED00x состоит из контроллеров, требующих наличия внешнего ключа. Микросхемы обладают высоким КПД, малыми габаритами, адекватным показателем «цена-качество» и при этом могут запускаться от высокого напряжения без каких-либо дополнительных технических решений. В линейке драйверов HVLED реализована система контроля параметров по первичной стороне. Подобное решение упрощает разработку и снижает количество элементов и габариты печатной платы за счет отказа от цепи обратной связи с оптроном. В конечном итоге уменьшается стоимость устройства. Выходная мощность драйверов может достигать 80 Вт для одноступенчатой схемы преобразования и 150 Вт для двухступенчатой.

Рис. 2. Линейка HVLED

Рис. 2. Линейка HVLED

Основные применения линейки HVLED:

  • замена ламп накаливания (светодиодные лампы);
  • прожекторы профессионального освещения;
  • мачтовые светильники;
  • внутреннее освещение;
  • уличное освещение.

В микросхемах предусмотрен высоковольтный вход запуска, позволяющий включить светодиоды менее чем за 0,5 с. Контроль и управление осуществляются по первичной стороне с возможностью работы в режимах стабилизированного напряжения (Constant Voltage, CV) или стабилизированного тока (Constant Current, CC).

Одним из самых маломощных представителей линейки HVLED является HVLED807PF. Эта микросхема представляет собой высоковольтный регулятор, который питается непосредственно от сети переменного тока и обладает высоким коэффициентом мощности (>0,9). Благодаря встроенному ШИМ-контроллеру и 800-вольтному транзистору MOSFET обеспечивается компактность конечного изделия и его низкая стоимость.

Токовый ШИМ-контроллер драйвера специально создан для работы в схеме обратноходового преобразователя с режимом переключения при нуле напряжения (Zero Voltage Switching, ZVS). Микросхема работает в режиме стабилизированного тока (CC) с регулировкой по первичной стороне (Primary Side Regulation, PSR). Весь контроль параметров осуществляется с помощью дополнительной обмотки трансформатора. Благодаря технологии PSR обеспечивается безопасная работа в случае короткого замыкания в цепи нагрузки.

Микросхема также может работать в режиме стабилизированного выходного напряжения (CV). В этом случае драйвер нечувствителен к обрыву в нагрузке на вторичной стороне, то есть при размыкании цепи светодиодов работа продолжится в штатном режиме. В дополнение к сказанному в микросхеме предусмотрена защита от КЗ по вторичной стороне и контроль перехода трансформатора в насыщение. Несмотря на дополнительную обмотку трансформатора, необходимую для правильной работы в режимах CC и CV, драйвер может питаться непосредственно от выпрямленного напряжения сети.

На рисунке 3 представлено типовое включение микросхемы. Работа в квазирезонансном режиме достигается за счет мониторинга микросхемой процесса размагничивания трансформатора. Включение транзистора происходит на спадающем фронте напряжения, отслеживающегося выводом DMG микросхемы. Так обеспечивается переключение при минимуме напряжения. Вывод DMG служит также для мониторинга выходного напряжения в режиме CV и входного напряжения в режиме CC.

Рис. 3. Типовая схема включения HVLED807PF

Рис. 3. Типовая схема включения HVLED807PF

Верхняя граница частоты коммутации равна 166 кГц. При снижении нагрузочных токов это значение уменьшается, а при малых нагрузках или полном их отсутствии на выходе драйвер переходит в режим генерации пачек импульсов (Burst-mode). Частота коммутации может упасть даже до значений в несколько сотен герц, снижая динамические потери и общую потребляемую мощность до минимума.

Возможны три режима работы драйвера в зависимости от нагрузки:

  • Работа в квазирезонансном режиме (Quasi-Resonant Mode) с большой нагрузкой

Ключевым фактором здесь является синхронизация включения MOSFET-транзистора с моментом минимума напряжения «сток-исток». В этом случае система работает в граничном режиме проводимости (Boundary Conduction Mode, BCM). В результате частота коммутации будет изменяться в зависимости от питания и нагрузки. Главными достоинствами данного режима работы являются низкие потери при включении транзистора, низкие уровни электромагнитного излучения и устойчивость к короткому замыканию на выходе.

  • Режим работы со средней и малой нагрузкой

Драйвер определяет максимальную частоту коммутации в зависимости от уровня напряжения на выводе COMP. Если нагрузка уменьшается, то транзистор начинает включаться не в первый минимум колебаний напряжения на стоке, а во второй или третий и так далее (Valley Skipping mode). В этом случае частота больше не повышается.

  • Режим работы на малую нагрузку или ее отсутствие (Burst-mode)

Когда напряжение на выводе COMP микросхемы падает до уровня на 65 мВ ниже заданного фиксированного значения VCOMPBM, микросхема выключает MOSFET-транзистор. В так называемом Burst-mode-режиме драйвер выдает на выходе короткие импульсы тока с периодом 500 мкс. Передача энергии в нагрузку во время пауз прекращается, и выходное напряжение начинает падать. После паузы транзистор вновь включается, и порог напряжения на выводе DMG сравнивается с внутренним опорным напряжением VREF. Если результат сравнения оказывается выше порога срабатывания VCOMPL (рисунок 4), то MOSFET начинает работать в обычном режиме на рабочей частоте. В обратном случае снова следует пауза в 500 мкс и описанный выше процесс повторяется вновь.

Рис. 4. Работа драйвера в режиме Burst-mode

Рис. 4. Работа драйвера в режиме Burst-mode

Следует отметить, что описанный функционал присущ всем микросхемам семейства HVLED.

На основе другого представителя линейки HVLED815PF могут быть построены LED-драйверы мощностью до 15 Вт. Рассмотрим пример реального применения микросхемы на основе отладочной платы EVLHVLED815W10F (рисунок 5, таблица 2). Устройство собрано по схеме изолированного обратноходового преобразователя и работает в режиме стабилизированного выходного тока (рисунок 6).

Рис. 5. Плата EVLHVLED815W10F

Рис. 5. Плата EVLHVLED815W10F

Таблица 2. Температура на нижней стороне платы EVLHVLED815W10F

Точка Температура, °C Комментарий
A 62 Ограничивающий резистор (D4)
B 60,5 Контроллер (U1)
C 61 Снабберный резистор (R1)
D 57,3 Выходной диод

Краткие характеристики платы:

  • входное напряжение: 88…265 В AC;
  • выходная мощность: 10 Вт;
  • выходное напряжение: 22 В;
  • выходной ток: 455 мА;
  • коэффициент мощности: > 0,95;
  • КПД драйвера: до 84%.
Рис. 6. Принципиальная схема EVLHVLED815W10F

Рис. 6. Принципиальная схема EVLHVLED815W10F

В схеме применена система контроля параметров по первичной стороне, точность задания выходного тока обеспечивается в пределах ±5%. Основное применение устройства – светодиодные лампы–ретрофиты и компактные LED-драйверы.

На приведенном графике изображены четыре кривые для разного количества светодиодов в нагрузке (4…7). Как видно из рисунка 7, при номинальной нагрузке на выходе КПД в большинстве значений из диапазона входного напряжения не опускается ниже 80%, при этом коэффициент мощности выше 0,9.

Рис. 7. Зависимость КПД от входного напряжения для различной нагрузки

Рис. 7. Зависимость КПД от входного напряжения для различной нагрузки

Разброс значений выходного тока находится в пределах 3% во всем диапазоне нагрузок.

Немаловажным параметром является коэффициент нелинейных искажений. Его величина не поднимается выше 20% для разных нагрузок.

На рисунке 8 показан график гармонических составляющих искажений, вносимых микросхемой драйвера в сеть, и нормы помехоэмиссии в соответствии с ГОСТом 30804.3.2-2013 (IEC 61000-3-2) для приборов класса C. Испытания проводились при следующих условиях:

  • напряжение питания: 230 В, 50 Гц;
  • мощность по входу: 11,8 Вт;
  • мощность по выходу: 9,9 Вт;
  • коэффициент мощности: 0,963.
Рис. 8. Гармонические составляющие искажений, вносимых в сеть HVLED815PF

Рис. 8. Гармонические составляющие искажений, вносимых в сеть HVLED815PF

Из полученных измерений можно сделать вывод, что драйвер HVLED815PF полностью соответствует требованиям нормативных стандартов.

Для определения максимальных температур элементов платы были проведены исследования с помощью ИК-камеры. Драйвер питался от напряжения 230 В, выходная мощность равнялась 10 Вт. Для полной стабилизации переходных тепловых процессов измерения проводились спустя 60 минут после включения. На рисунке 9 приведен снимок верхней стороны платы.

Рис. 9. Распределение температуры на верхней стороне платы EVLHVLED815W10F под нагрузкой

Рис. 9. Распределение температуры на верхней стороне платы EVLHVLED815W10F под нагрузкой

Максимальная температура 69,2°С (таблица 1) наблюдается на обмотках трансформатора T1. На рисунке 10 представлен снимок нижней стороны платы.

Рис. 10. Распределение температуры на нижней стороне платы EVLHVLED815W10F под нагрузкой

Рис. 10. Распределение температуры на нижней стороне платы EVLHVLED815W10F под нагрузкой

Таблица 1. Температура на верхней стороне платы EVLHVLED815W10F

Точка Температура, °C Комментарий
A 69,2 Обмотка трансформатора (T1)
B 57,1 Магнитопровод (T1)
C 47,6 Lin (L1)

Здесь максимальная температура равна 62°С. Таким образом, можно сделать вывод, что микросхемы серии HVLED8xx являются отличным решением для компактных и эффективных применений с мощностью до 15 Вт.

Перейдем к рассмотрению более мощной линейки драйверов HVLED00x. Она отличается более широким функционалом, и вследствие повышения мощностей требует использования внешнего MOSFET.

На базе микросхемы HVLED001A можно построить обратноходовой преобразователь мощностью до 75 Вт и, в случае использования двухступенчатой схемы преобразования – до 150 Вт. Также возможны схемы построения по топологии понижающего преобразователя (buck), повышающего преобразователя (boost) и SEPIC-преобразователя. Драйвер имеет четыре режима работы:

  • режим запуска;
  • активный режим;
  • стоп-режим;
  • режим малых токов потребления.

Рассмотрим их подробнее. Микросхема переходит в режим запуска сразу же после подачи питания либо выхода из режима малых токов потребления. В это время заряжается конденсатор питания Vcc, и для ускорения этого процесса отключаются все внутренние потребители, тем самым снижая время запуска.

Далее микросхема переходит в активный режим, который является для нее основным. Он характеризуется штатной работой всех систем и внешнего MOSFET. До тех пор, пока все параметры эксплуатации находятся в рабочей области, микросхема будет находиться в этом режиме. Высоковольтный запуск в это время выключен.

Стоп-режим необходим для остановки коммутации и быстрого перезапуска без выключения всего функционала дополнительных служб драйвера, когда, например, нормализовались условия эксплуатации или исчезли факторы, препятствующие нормальной работе. Энергопотребление в этом режиме не минимизировано, и процедура плавного старта недоступна.

Режим малых токов потребления нужен для остановки коммутации и снижения энергопотребления до минимально возможного уровня.

Драйвер имеет встроенные защиты:

  • от перегрузки по току;
  • от короткого замыкания и обрыва нагрузки на выходе;
  • от сбоя в работе оптопары (при наличии);
  • от бросков входного напряжения;
  • от низкого входного напряжения (Brownout Protection);
  • от перехода трансформатора в режим насыщения;
  • от короткого замыкания в цепи питания микросхемы.

Следует отметить, что микросхема может работать с регулировкой по первичной стороне только в режиме стабилизированного напряжения на выходе (рисунок 11). Чтобы запитать светодиоды постоянным током, следует применить схему c оптроном в цепи ОС.

Рис. 11. Типовая схема включения HVLED001A в режиме CV

Рис. 11. Типовая схема включения HVLED001A в режиме CV

Для достижения большей энергоэффективности применяется корректор коэффициента мощности. Как показано на рисунке 12, ключ открыт в течение постоянного времени, меняется лишь частота следования импульсов. Серые треугольники – это ток первичной обмотки, который протекает во время открытого состояния транзистора. Вслед за напряжением сети меняется высота этих треугольников, в результате чего огибающая тока через ключ и средний ток первичной обмотки повторяет форму выпрямленного напряжения. Разность фаз потребляемого из сети тока и сетевого напряжения также будет стремиться к нулю. Голубые треугольники – ток выпрямителя на вторичной стороне трансформатора.

Рис. 12. Механизм работы корректора коэффициента мощности

Рис. 12. Механизм работы корректора коэффициента мощности

Рассмотрим микросхему HVLED001A в условиях реальных применений. Драйвер мощностью 35 Вт (STEVAL-ILL069V2) имеет широкий диапазон входных напряжений, один изолированный выход 48 В и один вспомогательный выход 16 В с током 20 мА (рисунки 13, 14). Присутствуют защиты от короткого замыкания и перегрузок по току и напряжению.

Рис. 13. Плата STEVAL-ILL069V2

Рис. 13. Плата STEVAL-ILL069V2

Краткие характеристики платы:

  • входное напряжение: 90…305 В AC, 45…66 Гц;
  • выходная мощность: 35 Вт;
  • выходное напряжение: 48 В;
  • выходной ток: 730 мА;
  • пульсации выходного напряжения на холостом ходу (Uвх = 230 В): 230 мВ;
  • КПД драйвера: 90%;
  • коэффициент нелинейных искажений: 10%.
Рис. 14. Принципиальная схема STEVAL-ILL069V2

Рис. 14. Принципиальная схема STEVAL-ILL069V2

На рисунке 15 представлена зависимость КПД от выходной мощности при различных значениях входного напряжения. График линеен, и лишь в области малых мощностей наблюдается спад до 80%. Для работы в зоне низкого потребления необходимо снизить время, в течение которого транзистор проводит ток (tON), либо увеличить время его нахождения в выключенном состоянии (tOFF). Таким образом, драйвер начинает работать в режиме прерывистых токов (DCM). Для этих целей целесообразно коммутировать транзистор драйвера при минимальных значениях напряжения на его стоке (Valley Skipping mode). Причем для увеличения времени tOFF можно подавать сигнал управления на затвор в момент второго, третьего и прочих минимумов колебательного процесса напряжения (рисунок 16). В результате частота коммутации будет снижаться (Frequency foldback). Снижается и энергия, необходимая для включения транзистора.

Рис. 15. График зависимости КПД от выходной мощности при различных входных параметрах

Рис. 15. График зависимости КПД от выходной мощности при различных входных параметрах

Рис. 16. Диаграммы напряжений в режиме Valley Skipping mode

Рис. 16. Диаграммы напряжений в режиме Valley Skipping mode

Время, в течение которого внутренняя логика не детектирует минимумы напряжения на стоке, может составлять 0…200 мкс и задается напряжением на ножке TOFF. MOSFET-транзистор включится в момент минимума напряжения «сток-исток» по прошествии времени TBLANK.

Что касается зависимости коэффициента нелинейных искажений и коэффициента мощности от входного напряжения, КМ во всем диапазоне не опускается ниже 0,96, а КНИ не поднимается выше уровня в 10%.

В режиме бездействия (Standby) драйвер потребляет мощность не более 250 мВт.

Подытожив все вышесказанное, можно сказать, что HVLED001A – хороший выбор для построения LED-драйверов средней мощности. Микросхема снабжена большим набором встроенных цепей защиты, повышающим надежность, и функционалом, позволяющим значительно сократить перечень элементов в конечном устройстве.

STMicroelectronics активно развивает линейку LED-драйверов. Компанией запланирован выход двух новых представителей HVLED – HVLED003 и HVLED005. Анонсированы такие ключевые особенности как:

  • топология обратноходового квазирезонансного преобразователя;
  • регулировка параметров по первичной стороне;
  • точность задания выходного тока ±5%;
  • димминг с помощью симистора (для HVLED003);
  • глубокий димминг (<5%);
  • димминг с помощью ШИМ и аналогового интерфейса 0…10 В;
  • низкий КНИ (<10%) и высокий КМ (>0,9);
  • защита от КЗ или обрыва в нагрузке;
  • запуск и питание от высоковольтного напряжения;
  • защита от перегрева.

К современным источникам питания для светодиодов предъявляются все более жесткие требования. Они должны обладать высокими техническими характеристиками, не оказывать существенного влияния на питающую сеть, а также быть надежными и безопасными.

Линейка HVLED полностью соответствует этим требованиями, перекрывая диапазон мощностей 3…75 Вт. Начиная от младших представителей серии и заканчивая старшими моделями, микросхемы LED-драйверов производства компании STMicroelectronics зарекомендовали себя как эффективные и качественные решения.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:
Применения: ,
Группы товаров:

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее