Микросхемы драйверов Texas Instruments для систем светодиодного освещения


PDF версия

Секторы применения и фронт использования светодиодного освещения с каждым годом растут. По этой причине драйверы ярких белых светодиодов являются одними из самых востребованных на рынке электронных компонентов. Драйверы белых светодиодов выпускают десятки фирм. Техаs Instruments удерживает в данном секторе лидирующие позиции. Ассортимент продукции TI содержит широкий ряд светодиодных драйверов для различных приложений: внутренние и наружные источники освещения, подсветка дисплеев и клавиатур мобильной электроники, светодиодные фонари и вспышки, автомобильный свет, подсветка ЖК-панелей мониторов, телевизоров и ноутбуков. Данная статья знакомит с номенклатурой светодиодных драйверов TI, ориентированных на сектор светодиодного освещения.

Светодиодное освещение с каждым годом находит все большее применение. Можно выделить два его основных направления развития. Первое — светодиодные лампы для замены ла мп накаливания, галогеновых и люминесцентных ламп. Основной сектор — бытовое освещение. Светодиодные лампы выпускаются в конструктиве, обеспечивающем замену ламп накаливания, галогеновых и люминесцентных. Вся схема управления встраивается в цоколь лампы и не требует доработки световой арматуры модифицируемого таким образом светильника. Мощность светодиодных ламп — не более 25 Вт, а яркость — не более 3000 лм.

Второе направление — разработка светодиодных светильников новой конструкции с учетом особенностей светодиодных источников света. Такие светильники поставляются как самостоятельное изделие, а при их установке не требуется дополнительная модификация светотехнической арматуры. Эти светильники используются как для внутреннего, так и наружного освещения. В настоящее время расширяется сектор использования светодиодных светильников для освещения производственных помещений больших объемов (см. рис. 1). Для их освещения, как правило, используются подвесные с тросовым подвесом (high bay и low bay) мощные потолочные светильники мощностью 15…75Вт и яркостью
1000…10000 лм.

Александр Самарин

Ведущий специалист, разработчик электронной аппаратуры, сотрудник Московского института электронной техники.

Выпускник МИЭТ. Специальность инженер-физик. Член международной организации SID (Society for Information Display). Автор книги, автор свыше 100 публикаций в журналах ЭК, КиТ, Современная Электроника, Электроника НТБ, Схемотехника, Ремонт и Сервис, автор семи изобретений.

Сфера профессиональных интересов — современная элементная база электроники, телекоммуникационная аппаратура, дисплейные технологии, электронное медицинское оборудование.

Для освещения улиц, автомагистралей стадионов используются светодиодные светильники мощностью 3…250 Вт и яркостью 2500…30000 лм.

На рисунке 2 представлен проект светодиодного освещения автодороги. Высота подвеса ламп — 12 м; расстояние между соседними мачтами — 35 м; ширина дороги — 62 м; мощность светодиодного светильника — 200 Вт. Для освещения участка дороги длиной 5 км использовано 448 светильников.

Для каждого типа светодиодных приложений разрабатываются свои структуры драйверов, которые учитывают специфику применения и режимы работы светильников.

Рис. 1. Использование потолочных мощных светодиодных светильников для освещения промышленных помещений большой площади
Рис. 2. Проект светодиодного освещения автодороги

Структура контроллера светодиодного освещения

В системах светодиодного освещения общего назначения для питания используется сетевое напряжение 110/220/230 В. В качестве источников света используются одна или несколько последовательных цепочек белых ярких светодиодов мощностью 1…10 Вт. Рабочие токи в цепочках от 300 мА для ламп малой и средней мощности до 3А в светильниках высокой мощности (до 250 Вт). Постоянное напряжение на цепочке светодиодов составляет несколько десятков вольт. Схема питания светодиодов должна обеспечивать выпрямление напряжения, преобразование в стабилизированное напряжение и поддержание оптимального тока через светодиоды. Для увеличения эффективности всей системы в структуре контроллера, как правило, используется модуль фазового корректора мощности PFC (Power Factor Corrector). Таким образом, структура контроллера может содержать 1—3 ступени преобразования энергии. На входе контроллера стоит также диодный мост и входной фильтр ЭМИ.

На рисунке 3 показаны базовые схемы контроллеров для систем светодиодного освещения мощностью свыше 60 Вт.

Как правило, в модуле преобразования напряжения используется обратноходовое преобразование. В контроллерах большей мощности используются квазирезонансные схемы с мостовой или полумостовой схемой.

В зависимости от конкретного приложения может использоваться гальваническая трансформаторная развязка между светодиодной цепью и сетью.

Высокая рабочая частота приборов позволяет значительно уменьшить габариты используемых катушек индуктивности, что уменьшает общих габариты импульсных преобразователей.

Рис. 3. Схемы построения источников питания для светодиодных светильников мощностью более 60 Вт: PFC Control – модуль корректора мощности; LLC Control – упр. лог. ур.; Buck Contro l- упр. пониж. регул. напр.; HV Gate Driver – драйвер затворов полевых транзисторов; PWM Control – ШИМ-управление; EMI Input Bridge – вх. фильтр ЭМИ и выпрям. мост

Светодиодные лампы

Бытовые лампы, используемые в Европе и США, имеют стандартные цоколи и формы ламп. Типовые форматы ламп: А19, Е12/26/27, GU10, MR16, PAR30/38.

Для резьбовых цокольных ламп (цоколь Эдисона) номер задает диаметр в мм. Например, 26/27 — стандартный сетевой цоколь на 220 В, а 12/14 –миньон. Цоколь Е26 используется для 110-В ламп. Буква определяет форму лампы, цифра — диаметр цоколя. Индекс PAR — лампа с параболическим рефлектором. GU10 — лампа с байонетным цоколем, MR16 — цоколь со штырьковыми контактами для галогеновых ламп. Плата контроллера может размещаться с разной ориентацией в цоколе лампы. На рисунке 4 показан вариант конструкции светодиодной лампы формата А19 на 8 Вт.

На рисунках 5—8 показаны другие исполнения светодиодных ламп, которые предназначены для освещения как бытовых помещений, так и помещений музеев, салонов, галерей, для подсветки картин, косметических салонов, в отелях, ресторанах, освещения залов ожидания и т.д.

Рис. 4. Конструкция светодиодной лампы с цоколем A19 без гальванической развязки (220 В, 8 Вт)

Рис. 5. Цоколь GU10, 3-Вт светодиодная лампа для прожекторов ландшафтной подсветки, 260 лм

Рис. 6. Лампа с цоколем MR16 (альтернатива галогеновым)

Рис. 7. Светильник для встраивания в мебел

Рис. 8. 12…15-Вт светодиодные лампы подсветки для встраивания в напольное покрытие

Лампы для освещения оранжерей и теплиц

Было установлено, что светодиодное освещение эффективно способствует росту растений. Эффективность усваивания растениями светодиодного спектра выше на 50% по сравнению с люминесцентными светильниками (см. рис. 9).

Рис. 9. Светодиодная лампа для оранжерей в форм-факторе люминесцентной трубки

Драйверы и контроллеры TI для систем светодиодного освещения

К этой серии относятся микросхемы светодиодных драйверов серии TPS92xxxx (TPS92001/2, TPS92010/20, TPS92210) а также микросхема контроллера для построения мощных светодиодных систем UCC28810.

Драйверы TPS 92001/2 c внешним силовым ключом

Драйвер предназначен для использования в светодиодных системах освещения общего назначения (см. рис. 10). Для построения систем используется схема с обратноходовым преобразованием как с гальванической трансформаторной развязкой, так и без нее. В сетевых светодиодных лампах нет необходимости в гальванической развязке. Микросхемы TPS 92001/2 имеют одинаковую структуру и различаются только номиналом напряжения порога включения.

В первую очередь, драйвер ориентирован для использования в светодиодных лампах формата А19, Е12/26/27, GU10, MR16, PAR30/38. Применения: настенные и потолочные светильники, архитектурная подсветка зданий и т.д.

Рис. 10. Драйвер общего освещения без гальванической развязки

Особенности управления яркостью через симисторные регуляторы (триаки)

Управление яркостью бытовых светильников производится с помощью настенных (wall dimmer) триаков — симисторных регуляторов с фазовой отсечкой (см. рис. 11). Светодиодный источник потребляет не всегда достаточный уровень мощности, чтобы обеспечивать надежное удержание симисторного регулятора во включенном состоянии. Требуется дополнительная схема, чтобы обеспечить надежное управление триаком.

Функция регулировки яркости, реализованная в отладочном модуле TI PMP4981 [7], позволяет уменьшать яркость цепи светодиодов до крайне малых значений без мерцания или стробоскопического эффекта. Потребление тока из симистора осуществляется только при необходимости, что обеспечивает высокий КПД оборудования при использовании драйвера без гальванической развязки.

На рисунке 12 показана структурная схема с гальванической развязкой на основе драйвера TPS 92001/2.

Рис. 11. Схема управления яркостью света через симисторные регуляторы (триаки)
Рис. 12. Структура управления светодиодной системой с гальванической развязкой от сети

Драйвер TPS92010

Более мощный многорежимный драйвер TPS92010 — первый представитель нового семейства светодиодных контроллеров компании TI, предназначенных для общего применения в светодиодных системах освещения: светодиодные электролампы, коммерческие светильники, потолочные светильники, настенные бра, освещение проходов, верхнее, архитектурное и рекламное освещение (см. рис. 13). Сначала микросхема выпускалась под названием UCL64010. Выходной каскад драйвера обеспечивает токи управления затвором мощного выходного полевого транзистора 1 А (Sink) и 0,75 А (Source)

В драйвере для преобразования энергии используется квазирезонансный режим (quasi-resonant mode QRM) и режим DCM (discontinuous conduction mode DCM). Драйвер обеспечивает и режим перехода на пониженную частоту при уменьшении тока нагрузки или при обрыве в нагрузке для сохранения эффективности преобразования энергии.

Имеется защита от перенапряжения и блокировка работы при понижении напряжения питания (см. рис. 14).

15 апреля 2010 г. компания Texas Instruments (TI) объявила о выпуске оценочной платы драйвера светодиодного освещения, разработанной в сотрудничестве с компанией Lemnis Lighting. В базовой плате для светодиодных электроламп TPS92010 применена полупроводниковая технология компании TI для осветительного оборудования общего назначения и опыт компании Lemnis Lighting в создании приложений с регулируемой яркостью освещения.

Базовая оценочная плата представляет собой изолированный драйвер с низким уровнем электромагнитных помех, упрощающим сертификацию соответствия в плане безопасности и электромагнитной совместимости. Базовая плата для светодиодных электроламп TPS92010 поставляется с настенными регуляторами яркости света на основе триака. Схема регулирования освещенности TRIAC поддерживает высокий коэффициент полезного действия даже для низких уровней яркости (КПД 60% при 10% тока светодиода).

Рис. 13. Драйвер с гальванической развязкой
Рис. 14. Плата драйвера светодиодной лампы на базе TPS92010 для размещения в цоколе лампы

Драйвер TPS92020

Этот драйвер (см. рис. 15) обеспечивает более высокие мощности для передачи в нагрузку за счет использования преобразователя напряжения резонансного типа с полумостовой схемой.

В структуре драйвера используется единое управление яркостью нескольких цепочек светодиодов. Нет возможности отдельного управления яркостью цепочек.

Драйвер предназначен для питания мощных промышленных светодиодных светильников, а также наружных и уличных светильников, прожекторов для стадионов.

Нагрузочная способность встроенных ключей для управления мостовой схемой — 400/800 мА. Встроенная защита от превышения тока и от перенапряжений. Мягкий старт. Частота преобразования 30…350 кГц устанавливается внешними компонентами.

Драйвер обеспечивает простоту управления включением/выключением. Широкий температурный рабочий диапазон: –40…125°C. Применение:

– коммерческие и промышленные источники светодиодного освещения;

– подвесные светильники для установки на тросовых подвесах High Bay (высота подвеса 8…10 м) и Low Bay для освещения внутренних помещений цехов, складов, ангаров;

– уличные фонари;

– освещение площадей;

– освещение стадионов;

– системы задней подсветки ЖК-телевизоров и мониторов (краевая система подсветки).

Рис. 15. Схема включения драйвера TPS92020 резонансного типа

Контроллер мощных светодиодных светильников — UCC28810

Микросхема имеет структуру, которая аналогична структуре драйверов серии TPS92xxx, однако по классификации TI попадает в другой класс — контроллеров мощных светодиодных систем.

Контроллер-драйвер UCC28810 предназначен для создания схем управления мощными светодиодными светильниками мощностью до 240 Вт. В [5] приведено описание контроллера мощного светодиодного светильника на 240 Вт на базе микросхемы UCC28810. Источник не изолирован от сети питания. В системе управления используется двухступенчатая схема. Первая ступень — корректор мощности PFC, вторая — понижающий регулятор напряжения. Обе ступени работают в режиме CCM (Critical Conduction Mode). Схема управления обеспечивает выходное напряжение 70…85 В для питания светодиодных цепочек состоящих из 24—28 светодиодов током до 3 А. В цепочке используются 10-Вт мощные белые светодиоды.

Драйвер TPS92210

Особенностью данного драйвера (см. рис. 16) является то, что контроль тока производится внутренней схемой. Внешний резистивный датчик тока не требуется, что упрощает схему включения и позволяет уменьшить энергию потребления, рассеиваемую на внешнем датчике тока.

Структура драйвера обеспечивает быстрый режим старта, обнаружение обрыва в обмотках трансформатора, устойчивость к броскам напряжения в первичной сети.

В драйвере для управления используется режим модуляции с фиксированным временем On-time. Алгоритм ШИМ-модуляции варьирует оба параметра — частоту преобразования и ток в первичной цепи, обеспечивая поддержку DCM и TM (Transition Mode) в зависимости от напряжения на входе и тока в нагрузке. Режим TM обеспечивает передачу более высокого тока в нагрузку.

Архитектура TPS92210 обеспечивает низкие потери на переключении и высокую эффективность преобразования энергии. По сравнению с традиционной технологией обратноходового преобразователя удалось достичь более высокой эффективности преобразования энергии во всех режимах работы.

Оценочный набор TPS92210EVM-613 обеспечивает всю полноту функций драйвера-контроллера TPS92210. Модуль демонстрирует применение TPS92210 в проекте драйвера с коррекцией мощности для сетевого светодиодного светильника с питанием 230 В и триаком для управления яркостью.

Рис. 16. Схема использования драйвера TPS92210

Литература

1. TPS92210 Natural PFC LED Lighting Driver Controller.

2. TPS92001, General Purpose LED Lighting PWM Controller.

3. UCC28810 — LED Lighting Power Controller.

4. Using the UCC28810EVM-002. User’s Guide.

5. Non-Isolated 240-W Offline LED Driver Using UCC28810 and UCC28811. User’s Guide

6. Projects of LED Street Lights.

7. Справочник типовых решений с применением светодиодов//http://focus.ti.com/lit/sg/rust001/rust001.pdf.

TI LED General Lighting Driver Solutions.

 
 

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *