Оптимизация светодиодных систем освещения

Рынок светодиодного освещения развивается очень быстро, но стоимость светодиодов остается еще достаточно высокой, поэтому перед разработчиками стоит задача повышения светоотдачи светодиодов для снижения их количества. Самый простой способ решения этой задачи заключается в увеличении тока, но это автоматически ведет к повышению температуры, которая, в свою очередь, может ухудшить светоотдачу, снизить эффективность и сократить срок службы. Очевидно, что в таком случае необходимо применять радиаторы. Корректная разработка систем освещения учитывает не только эти факторы, но и особенности схем драйверов светодиодов. Были разработаны новые инструменты, позволяющие упростить процесс проектирования систем освещения и предоставить разработчикам возможность компромисса между высокой эффективностью, малыми размерами плат и низкой стоимостью.

Основная задача проектировщиков систем освещения заключается в обеспечении заданной светоотдачи. Как правило, разработчики обращаются к технической документации на светодиоды, находят там соответствующее значение светового потока и по нему определяют количество светодиодов, необходимое для данной системы. Обычно световой поток определяется в лабораторных условиях при постоянной температуре 25ºC при подаче короткого импульса тока. Но в реальных условиях светодиоды довольно сильно разогреваются. Эффективность лучших из тех, что представлены сегодня на рынке, составляет лишь 20–30%, что, однако, в сравнении с показателями остальных осветительных устройств, можно считать неплохим результатом. Фактически, этот показатель намного превосходит эффективность вольфрамовых ламп накаливания, которая для ламп мощностью 100 Вт составляет около 2,2% при световом выходе 1500 лм. Но вопрос заключается в том, где теряются оставшиеся 70% мощности? В отличие от вольфрамовых ламп, выделяющих тепло в виде инфракрасного излучения, светодиоды отдают тепло за счет теплопроводности. Отсюда следует необходимость применения радиаторов для контроля температуры. Разработчики, оптимизирующие ток и температуру светодиодов, должны принимать во внимание следующие важные специфические параметры: световой поток, Vf (падение напряжения в прямо смещенном светодиоде) и световую эффективность (световой поток, деленный на потребляемую мощность, в лм/Вт), определяющие эффективность светодиодов.
При увеличении тока через светодиоды, растет и световой поток, что может быть использовано для уменьшения количества светодиодов в матрице для снижения стоимости (см. рис. 1а). На практике для получения большей светоодачи можно заставить работать светодиод при токах, в два-три раза, превышающих номинальный ток (для проверки этого факта найдите в справочных данных на светодиоды значение максимального тока). Но при этом приходится искать компромисс с температурой, которая при использовании одинаковых по размеру радиаторов с ростом тока увеличивается (см. рис. 1б). Повышение температуры ведет к уменьшению срока службы и снижению надежности светодиодов. Это также приводит к понижению светового выхода, иногда значительному (см. рис. 1в). Для снижения температуры необходимо использовать радиатор большего размера, но это ведет к увеличению размеров плат и стоимости системы. В отличие от светового потока, световая эффективность с ростом температуры падает (см. рис. 1г). Такое снижение световой эффективности может привести к тому, что светодиод перестанет отвечать требованиям государственных стандартов по эффективности с точки зрения энергосбережения. Кроме того, напряжение прямого смещения светодиода увеличивается с ростом тока и снижается при повышении температуры, что надо учитывать при выборе схемы драйвера. Например, в случае простой понижающей схемы, суммарное напряжение прямого смещения в линейке из последовательных светодиодов должно поддерживаться ниже уровня минимального входного напряжения, в противном случае может потребоваться применение повышающих или понижающе-повышающих схем. Отсюда ясно, что разработчику систем освещения приходится искать компромисс между стоимостью, размерами плат, надежностью и эффективностью. И это не решается путем простого увеличения тока.

Рис. 1а. Зависимость светового потока от тока светодиода

Рис. 1б. Зависимость температуры от тока светодиода при фиксированном размере радиатора

Рис. 1в. Зависимость светового потока от температуры светодиода

Рис. 1г. Зависимость световой эффективности от тока светодиода

Рассмотрим несколько вариантов разработки системы освещения на 2500 лм с применением светодиодов с высокой световой эффективностью. Проектирование можно вести вручную традиционными методами, а можно использовать для этого инструмент разработчика National Semiconductor’s WEBENCH LED Architect. Этот программный продукт для разработки систем освещения включает расширенную библиотеку описаний светодиодов, драйверов и радиаторов. WEBECH LED Architect позволяет разработчикам проводить сравнение систем в реальном времени и оптимизировать сложные системы освещения по производительности, размерам и стоимости за несколько минут, используя при этом графическую визуализацию критических параметров.
В начале проектирования разработчик должен ввести заданное значение светового выхода в люменах, в ответ на это программа выдает ему список подходящих светодиодов и радиаторов в виде таблиц и диаграмм. Разработчик может настроить создание проекта при помощи приложения WEBENCH Optimizer Dial, задавая приоритеты по размерам, световой эффективности и стоимости. После выбора светодиодов и радиаторов на экране появляются опции различных драйверов, позволяющие разработчику определиться с топологией драйверов и конфигурацией линеек светодиодов. Графики позволяют увидеть найденный компромисс между размерами платы, световой эффективностью и ценой.
После выбора драйвера рассчитываются параметры всех компонентов системы и определяются рабочие характеристики, такие как рабочий цикл, токи и рассеяние мощности. Моделирование электрических цепей позволяет проанализировать переходные процессы. Разработчик может оптимизировать список материалов (BOM), выбирая элементы из библиотеки, содержащей более 20 тыс. пассивных компонентов, или задавая при желании пользовательские значения параметров элементов. И, наконец, разработчик может заказать компоненты по прототипам и распечатать законченный проект, включающий схемы, перечень требуемых компонентов и описание рабочих характеристик.
При использовании данной програм­мы можно варьировать тепло­вое сопротивление радиаторов, (ΘSA в ºC/ Вт), ток, рабочую температуру светодиодов и их количество. Площадь поверхности радиаторов рассчитывается, исходя из параметров типовых штампованных алюминиевых профилей, но могут быть рассмотрены и другие решения, где используются радиаторы из других материалов с высокой теплопроводностью. Результаты оптимизации выдаются в виде таблиц или графиков, примеры которых приведены на рисунках 2а, б.

Рис. 2а. Варианты оптимизации разработки системы на 2500 лм

Рис. 2б. Компромисс между разными вариантами оптимизации разработки системы на 2500 лм

Первый вариант соответствует системе с наименьшим размером печатной платы. При малой площади радиатора система имеет ограничения по охлаждающей способности, поэтому приходится поддерживать умеренный рабочий ток и смиряться с довольно высокой рабочей температурой. Выбранный вариант оптимизации использует матрицу из 13 светодиодов, требующую применения радиатора площадью 35 см² с ΘSA, равной 0,7ºC/Вт, но из-за низкого тока здесь придется использовать 19 светодиодов, что увеличивает стоимость системы до 88,75 долл.
Из сказанного видно, что характеристики светодиодов меняются в широком диапазоне в зависимости от рабочего тока, и температуры. Однако единственного наилучшего решения, конечно же, не существует. Высокая световая эффективность и длительный срок службы могут быть достигнуты только за счет повышения стоимости и размеров. И наоборот, стремясь снизить стоимость и размеры, приходится искать компромисс между световой эффективностью и сроком службы, являющимися двумя основными характеристиками светодиодов. Надежда остается только на то, что светодиоды развиваются очень быстро и постоянно появляются их новые модели с улучшенными техническими данными. Поэтому разработчикам необходимо постоянно отслеживать рынок, чтобы не пропустить последние модели светодиодов.

При разработке светодиодов системы освещения после выбора количества светодиодов, радиатора и тока необходимо определиться с драйвером, управляющим светодиодами. Для достижения высокой эффективности управления применяются, как правило, импульсные регуляторы. Следовательно, следующие этапы разработки заключаются в выборе схемы драйвера и типа матрицы светодиодов.
С точки зрения управления критическим параметром является отношение напряжения на светодиодной матрице к диапазону входных напряжений. Если полное напряжение на матрице меньше минимума Vin (плюс некоторый запас для учета потерь на ключе), то может быть использована понижающая схема. Это самая простая схема для реализации, к тому же ее достоинством является высокая эффективность и низкий входной ток.
Если полное напряжение на матрице превышает максимальное значение Vin, то потребуется использовать повышающую схему. Это также хорошо отработанная схема, но к ее недостаткам можно отнести необходимость применения высоковольтных полевых (FET) транзисторов, работающих при больших токах, что зависит от того, насколько необходимо повысить напряжение. Это может привести к увеличению стоимости и размеру печатных плат.
И, наконец, если напряжение на матрице светодиодов находится между максимумом и минимумом Vin, то применяется понижающе-повышающая схема. Эта схема обеспечивает очень гибкую работу с матрицей, но имеет очень сложный драйвер и, соответственно, отличается высокой ценой.

Для выбранной схемы драйвера определяется конфигурация матрицы светодиодов. Если выбрана понижающая схема, то матрица может быть разбита на параллельные линейки, напряжения на которых должны быть меньше минимального входного напряжения. Однако если параллельные линейки объединяются на одном и том же выходе драйвера с одним токочувствительным резистором, то возникает проблема, связанная с тем, что в линейках из-за различий в напряжениях прямого смещения светодиодов могут течь разные токи. Это может привести к разнице яркости и температур и означать разный срок службы линеек светодиодов. Эту проблему можно решить, используя драйвер со множеством выходов и токочувствительных резисторов или применяя несколько драйверов с одним выходом.
Чтобы решить проблему разделения тока, светодиоды можно соединить последовательно. Однако при этом полное напряжение на светодиодах может стать достаточно высоким. Если оно превысит 60 В, то для соответствия государственным стандартам могут потребоваться дополнительные меры предосторожности и сертификаты.
Для рассмотренного выше сбалансированного варианта оптимизации системы на 2500 лм с последовательной конфигурацией из 9 светодиодов были проверены несколько типов драйверов. При этом диапазон входных напряжений составлял 15…25 В. На рисунке 3 представлена диаграмма, иллюстрирующая зависимость размера печатной платы для всей системы от световой эффективности и учитывающая потери драйвера. Размер кружков пропорционален стоимости. Нижняя правая часть диаграммы соответствует наибольшей световой эффективности и наименьшему размеру плат. При этом использовалась единственная линейка из 9 светодиодов. Полное напряжение на светодиодах равнялось 28,6 В, что выше максимального входного напряжения 25 В, поэтому здесь применялась повышающая схема драйвера. Средняя часть диаграммы соответствует применению понижающего драйвера. В этом случае светодиоды были разбиты на три линейки с напряжением 9,5 В, что ниже минимального входного напряжения.

Рис. 3. Опции матриц из линеек светодиодов и драйверов для системы на 2500 лм в диапазоне входных напряжений 15…25 В.

На диаграмме показано применение трех отдельных драйверов, но с целью снижения цены они могут объединяться, чтобы использовать один драйвер с одним токочувствительным резистором, но при этом возникает риск неравномерного деления тока. Последняя группа в верхнем левом углу соответствует применению двух линеек из пяти светодиодов, напряжение каждой из которых составляет 15,9 В.
В таблице 1 рассмотрен вариант использования одной линейки последовательных светодиодов. Здесь для разных топологий драйверов менялись входные напряжения. В этой таблице учитываются только характеристики драйвера, и не рассматривается вклад, вносимый светодиодами и радиатором. В первом случае для возможности применения понижающей схемы диапазон входных напряжений составлял 35…40 В, что выше напряжения на линейке светодиодов, равного 28,6 В. Эффективность драйвера без учета светодиода составила 93% при занимаемой площади платы 3,5 см² и стоимости 1,90 долл.
Для применения повышающей схемы входной диапазон напряжений был равен 20…25 В, что ниже напряжения на светодиоде. Достигнутая эффективность в этом случае также равна 93%, но занимаемая площадь платы стала больше — 6,3 см² при стоимости 3,02 долл.
В последнем случае диапазон входных напряжений составлял 25…35 В. Поскольку напряжение на светодиоде находилось между максимумом и минимумом входного напряжения, то применялась понижающе-повышающая схема. Эффективность в этом случае стала ниже — 88% , а занимаемая площадь платы больше — 8 см² при стоимости 4,04 долл. Отсюда видно, что стоимость драйвера светодиода составляет только 5–15% от общей стоимости системы, а его эффективность (93%) значительно превышает эффективность всей системы (24%) (см. табл. 2). На последнем этапе проектирования драйвера разрабатывается его реальная схема. Программа проектирования драйвера автоматически создает перечень компонентов (ВОМ), но при этом предоставляет пользователям возможность менять пассивные компоненты, одновременно проверяя при этом изменение характеристик системы.

На рисунке 4 показан результат моде­лирования переходных процессов, выполненного программой WEBENCH LED Architect design (http://www.national.com/analog/led#software), иллюстрирующий влияние изменения входного напряжения на ток светодиодов.

Рис. 4. Результат моделирования переходных процессов, выполненного программой WEBENCH LED Architect driver design