Выбор наилучшей топологии для электронных устройств со сверхяркими светодиодами

В наше время растущие цены на электрическую энергию заставляют потребителя пристальнее изучать свой бюджет энергопотребления, и в нем технологии ламп накаливания имеют не самую лучшую энергетическую эффективность. Примерно 97% потребленной лампочкой накаливания энергии уходит в тепло. С люминесцентными лампами дело обстоит лучше, но и они превращают в тепло порядка 85% потребляемой энергии. Более того, время работы лампочки накаливания составляет всего 2000 часов. К тому же люминесцентная технология использует токсичную ртуть и излучает резкий и неприятный для глаз свет. Ни одна из двух перечисленных технологий не может сравниться со светоизлучающими диодами по времени работы, экологичности и способности обеспечить практически любой цвет излучения. Более того, КПД светодиодных светильников стоит на одном уровне с люминесцентной технологией.

Как результат, переход на LED-технологию освещения может значительно снизить энергопотребление. Исследования, проведенные Департаментом по энергии США (U. S. Department of Energy), показали, что широкое внедрение LED-технологии к 2025 году может снизить энергопотребление на 10% и уменьшить суммарные счета за электричество на 0 млрд. Эта экономия позволит снизить выбросы углекислого газа с электростанций на 350 мегатонн в год. Этот факт был взят на заметку многими странами. Австралия уже объявила программу по снижению использования технологии ламп накаливания и перехода на эффективную LED-технологию.

Кроме всего сказанного, источники питания для светодиодов привлекательны и с точки зрения разработчиков. Так как источники света на светодиодах чаще всего не дают потребителя доступ к схеме, то разработчики могут пользоваться неизолированными источниками питания типа buck и buck-boost. Оба этих типа исключают необходимость использования трансформатора и имеют множество достоинств. В данной статье мы сравним их и выясним, в чем преимущества и недостатки каждого.

Две топологии

На рис. 1 показана микросхема LinkSwitch-TN в схемах преобразователей buck (a) и buck-boost (b). Микросхемы этого семейства намного упрощают схему благодаря тому, что они уже содержат силовой MOSFET-транзистор, генератор, простую схему контроля включения, высоковольтный источник питания, технологию снижения ЭМП за счет дрожания частоты, схему ограничения тока и тепловую защиту. Микросхемы LinkSwitch-TN запитываются сами от стока своего транзистора и тем самым делают ненужной внешнюю схему питания. Спроектированные для замены линейных и емкостных источников питания с током до 350 мA, микросхемы имеют прекрасные рабочие характеристики и высокий КПД.

Buck-преобразователь на рис. 1 обладает некоторыми преимуществами. Эта схема делает максимальной выходную мощность для выбранной микросхемы LinkSwitch-TN и дросселя. Кроме того, она уменьшает нагрузку на ключ микросхемы и силовой диод, а среднеквадратический уровень тока через дроссель немного меньше, чем в преобразователе buckboost.

Преобразователь buck-boost имеет одно большое преимущество перед buck-преобразователем — выходной диод включен последовательно с нагрузкой. В buck-преобразователе в случае выхода из строя транзистора вход оказывается подключенным к выходу напрямую. А в buck-boost в этом случае диод заблокирует путь между входом и выходом ИП.

В обеих схемах входное переменное напряжение выпрямляется и фильтруется элементами D1, D2, C1, C2, RF1 и RF2. Два диода увеличивают напряжение пробоя и уменьшают ЭМИ. В качестве RF1 необходимо использовать резистор с функцией плавкой вставки. Релейный метод управления в LinkSwitch-TN позволяет поддерживать требуемое напряжение на выходе. Как только ток вывода FB достигнет 49 мкA, следующий рабочий цикл пропускается.

Минимизация тепловыделения

Управление тепловыделением — это непростая задача для проектировщиков даже при использовании LED. Как пример, используя технологии с большим, чем у ламп накаливания КПД, схема мощностью 3 Вт на светодиодах может поднять температуру достаточно высоко и повредить устройство. Более того, интегрирование схемы питания в узкие рамки стандарта GU10 (форм-фактор лампы накаливания) предусматривает соблюдение строгих норм по тепловыделению. В топологиях, показанных выше, микросхема LinkSwitch-TN позволяет защитить светодиоды благодаря наличию схемы тепловой защиты, которая отключит силовой транзистор, если температура превысит 142 °С, и автоматически включит его снова, как только температура опустится до 75 °С.

Топология buck-boost обеспечивает меньший КПД, чем топология buck. Соответственно, она генерирует больше тепла при работе.

Чтобы убедиться, что топологии схем полностью соответствуют необходимым требованиям, разработчики Power Integrations при измерении температуры истока помещали схему в корпус, по размерам соответствующий обычной лампе накаливания. Схема была спроектирована для обеспечения в нагрузке тока 330 мA, то есть для питания 3 последовательно включенных светодиодов. Диапазон входных питающих напряжений универсален и составляет 85–265 В перем. тока.

В идеале, температура вывода «исток» не должна превышать 100 °С. Однако, глядя на данные в таблице, мы можем увидеть, что при входном напряжении 265 В AC и температуре окружающей среды 25 °С температура вывода «исток» может немного превысить максимально допустимую температуру. Поэтому разработчик рекомендуют использовать небольшие теплоотводы на светодиодах и на самой микросхеме. В этом случае ее тепловой режим работы полностью соответствует стандартам.

Контроль ЭМИ

По уровню наведенных ЭМИ схема должна полностью удовлетворять стандартам EN55022B/CISPR22B. Принимая во внимание высокую частоту переключения и ограниченные размеры самой платы GU10, мы видим еще одну нетривиальную задачу, которую необходимо решить разработчику. На схемах преобразователей (рис. 2) видно, что путь, который проходит ток в buck-преобразователе (MOSFET — выходной диод — выходной конденсатор — входной конденсатор), больше, чем в buck-boost (MOSFET — диод — входной конденсатор). Это говорит о том, что снизить шумы сложнее в преобразователе buckboost.

Для того чтобы обеспечить соответствие промышленным требованиям, разработчики Power Integrations предложили разделить схему на две части: преобразователь и входной фильтр. Они разместили эти части на двух печатных платах, между которыми поместили экран Фарадея. Электрически подключенный к плате преобразователя экран представляет собой печатную плату, покрытую медью с одной стороны, и имеющую такие же размеры, как плата преобразователя и фильтра. При проведении теста это дало свои результаты — на напряжении 230 В уровень ЭМИ был ниже требуемого на 7 дБмкВ.

С точки зрения стоимости обе топологии находятся примерно на одинаковом уровне. Оба дизайна требуют порядка 25 компонентов и, что важно, позволяют использовать дешевые дроссели вместо трансформаторов.

Одно большое отличие лежит в области проектирования обратной связи. Обратная связь должна ограничить ток через светодиоды при нормальной работе. Для этого разработчики используют вывод FB, подключая его к выходному напряжению через резисторы. Однако это может привести к нежелательному тепловыделению в корпусе GU10. Как выход из положения, при использовании buck-топологии применяют несколько дополнительных маломощных компонентов для организации полноценной точной цепи обратной связи. Дополнительные компоненты:

• 2 керамических конденсатора;
• 2 маломощных NPN транзистора;
• 4 прецизионных резистора.

Необходимо отметить, что эти компоненты практически не увеличат стоимость конечного изделия.

Выводы

Светодиодное освещение предоставляет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционным: меньшее энергопотребление, большее время жизни и меньшее время обслуживания. Однако при проектировании изделия на светодиодах разработчики сталкиваются с рядом технических сложностей. Тем не менее, анализируя преимущества и недостатки описанных выше топологий, разработчики могут без труда спроектировать изделие, обладающее самыми хорошими техническими характеристиками и отвечающее всем необходимым стандартам.