1. Про компанію ST Microelectronics

Інтегральні LED-драйвери сімейства HVLED від STMicroelectronics - ідеальний вибір для побудови перетворювачів живлення світлодіодних світильників для зовнішнього та внутрішнього освітлення з контролем параметрів і вихідною потужністю до 75 Вт, а в разі двоступеневої схеми - до 150 Вт.

У далекому 1907 році Генрі Джозеф Раунд проводив експерименти з карбідом кремнію, використовуючи його для детектування радіосигналів. Вчений зауважив, що в певних умовах при подачі напруги на SiC-кристал останній починав випромінювати світло. Раунд назвав це явище «цікавим феноменом». Пізніше ефект був названий Електролюмінесценція і послужив основою для розвитку всієї світлодіодної техніки. Перші світлодіоди червоного і червоно-жовтого випромінювання не могли похвалитися хорошим світловим потоком. Їх використовували в основному в якості різних індикаторних пристроїв. Нові наукові дослідження і постійно удосконалюються технології рухали галузь вперед, і сучасна світлодіодна продукція має відмінні показники світловий віддачі, тривалим терміном служби і малими потужностями втрат.

Широкі можливості застосування світлодіодів і їх безперервно поліпшуються характеристики - ключові фактори зростаючого ринку світлодіодної продукції. Відповідно, підвищуються і вимоги до джерел живлення. Зокрема, їх потужність зросла від 3 ... 15 Вт до сотень Вт. Не менш важливими параметрами цих джерел є енергоефективність, коефіцієнти потужності і нелінійних спотворень.

Компанія STMicroelectronics пропонує широку лінійку LED-драйверів для різних застосувань, включаючи загальне освітлення, підсвічування дисплеїв, рішення для автомобільної промисловості, різні сигнальні і інформаційні панелі (рисунок 1).

Мал. 1. Лінійки мікросхем харчування LED виробництва компанії STMicroelectronics

Розглянемо докладніше лінійку HVLED (Рисунок 2). драйвери HVLED807 / 815 поєднують в одному корпусі високовольтний транзистор MOSFET на 800 В і ШІМ-контролер. серія HVLED00x складається з контролерів, що вимагають наявності зовнішнього ключа. Мікросхеми мають високий ККД, малими габаритами, адекватним показником «ціна-якість» і при цьому можуть запускатися від високої напруги без будь-яких додаткових технічних рішень. У лінійці драйверів HVLED реалізована система контролю параметрів по первинній стороні. Подібне рішення спрощує розробку і знижує кількість елементів і габарити друкованої плати за рахунок відмови від ланцюга зворотного зв'язку з Оптрон. В кінцевому підсумку зменшується вартість пристрою. Вихідна потужність драйверів може досягати 80 Вт для одноступінчастої схеми перетворення і 150 Вт для двоступеневої.

Мал. 2. Лінійка HVLED

Основні застосування лінійки HVLED:

• заміна ламп розжарювання (світлодіодні лампи);
• прожектори професійного освітлення;
• щоглові світильники;
• внутрішнє освітлення;
• вуличне освітлення.

У мікросхемах передбачений високовольтний вхід запуску, що дозволяє включити світлодіоди менш ніж за 0,5 с. Контроль і управління здійснюються за первинної стороні з можливістю роботи в режимах стабілізованої напруги (Constant Voltage, CV) або стабілізованого струму (Constant Current, CC).

Одним з найбільш малопотужних представників лінійки HVLED є HVLED807PF . Ця мікросхема є високовольтний регулятор, який харчується безпосередньо від мережі змінного струму і має високий коефіцієнт потужності (> 0,9). Завдяки вбудованому ШІМ-контролера і 800-вольтную транзистору MOSFET забезпечується компактність кінцевого виробу і його низька вартість.

Токовий ШІМ-контролер драйвера спеціально створений для роботи в схемі обратноходового перетворювача з режимом перемикання при нулі напруги (Zero Voltage Switching, ZVS). Мікросхема працює в режимі стабілізованого струму (CC) з регулюванням по первинній стороні (Primary Side Regulation, PSR). Весь контроль параметрів здійснюється за допомогою додаткової обмотки трансформатора. Завдяки технології PSR забезпечується безпечна робота в разі короткого замикання в ланцюзі навантаження.

Мікросхема також може працювати в режимі стабілізованого вихідного напруги (CV). В цьому випадку драйвер нечутливий до обриву в навантаженні на вторинній стороні, тобто при розмиканні ланцюга світлодіодів робота продовжиться в штатному режимі. На додаток до сказаного в мікросхемі передбачений захист від КЗ по вторинній стороні і контроль переходу трансформатора в насичення. Незважаючи на додаткову обмотку трансформатора, необхідну для правильної роботи в режимах CC і CV, драйвер може харчуватися безпосередньо від випрямленої напруги мережі.

На малюнку 3 представлено типове включення мікросхеми. Робота в квазірезонансного режимі досягається за рахунок моніторингу мікросхемою процесу розмагнічування трансформатора. Включення транзистора відбувається на спадающем фронті напруги, відстежувати висновком DMG мікросхеми. Так забезпечується перемикання при мінімумі напруги. Висновок DMG служить також для моніторингу вихідної напруги в режимі CV та вхідної напруги в режимі CC.

Мал. 3. Типова схема включення HVLED807PF

Верхня межа частоти комутації дорівнює 166 кГц. При зниженні навантажувальних струмів це значення зменшується, а при малих навантаженнях або повному їх відсутності на виході драйвер переходить в режим генерації пачок імпульсів (Burst-mode). Частота комутації може впасти навіть до значень в кілька сотень герц, знижуючи динамічні втрати і загальну споживану потужність до мінімуму.

Можливі три режими роботи драйвера в залежності від навантаження:

• Робота в квазірезонансного режимі (Quasi-Resonant Mode) з великим навантаженням

Ключовим фактором тут є синхронізація включення MOSFET-транзистора з моментом мінімуму напруги «стік-витік». В цьому випадку система працює в граничному режимі провідності (Boundary Conduction Mode, BCM). В результаті частота комутації буде змінюватися в залежності від харчування і навантаження. Головними перевагами даного режиму роботи є низькі втрати при включенні транзистора, низькі рівні електромагнітного випромінювання і стійкість до короткого замикання на виході.

• Режим роботи з середньою і малим навантаженням

Драйвер визначає максимальну частоту комутації в залежності від рівня напруги на виводі COMP. Якщо навантаження зменшується, то транзистор починає включатися не в перший мінімум коливань напруги на стоці, а в другій або третій і так далі (Valley Skipping mode). В цьому випадку частота більше не підвищується.

• Режим роботи на мале навантаження або її відсутність (Burst-mode)

Коли напруга на виводі COMP мікросхеми падає до рівня на 65 мВ нижче заданого фіксованого значення VCOMPBM, мікросхема вимикає MOSFET-транзистор. У так званому Burst-mode-режимі драйвер видає на виході короткі імпульси струму з періодом 500 мкс. Передача енергії в навантаження під час пауз припиняється, і вихідна напруга починає падати. Після паузи транзистор знову почне працювати, а поріг напруги на виводі DMG порівнюється з внутрішнім опорним напругою VREF. Якщо результат порівняння виявляється вище порога спрацьовування VCOMPL (малюнок 4), то MOSFET починає працювати в звичайному режимі на робочій частоті. У зворотному випадку знову слід пауза в 500 мкс і описаний вище процес повторюється знову.

Мал. 4. Робота драйвера в режимі Burst-mode

Слід зазначити, що описаний функціонал притаманний усім мікросхем сімейства HVLED.

На основі іншого представника лінійки HVLED815PF можуть бути побудовані LED-драйвери потужністю до 15 Вт. Розглянемо приклад реального застосування мікросхеми на основі отладочной плати EVLHVLED815W10F (рисунок 5, таблиця 2). Пристрій зібрано за схемою ізольованого обратноходового перетворювача і працює в режимі стабілізованого вихідного струму (рисунок 6).

Мал. 5. Плата EVLHVLED815W10F

Таблиця 2. Температура на нижній стороні плати EVLHVLED815W10F

Точка Температура, ° C Коментар A 62 Граничний резистор (D4) B 60,5 Контролер (U1) C 61 Снабберний резистор (R1) D 57,3 Вихідний діод

Короткі характеристики плати:

• вхідна напруга: 88 ... 265 В AC;
• вихідна потужність: 10 Вт;
• вихідна напруга: 22 В;
• вихідний струм: 455 мА;
• коефіцієнт потужності:> 0,95;
• ККД драйвера: до 84%.

Мал. 6. Принципова схема EVLHVLED815W10F

У схемі застосована система контролю параметрів по первинній стороні, точність завдання вихідного струму забезпечується в межах ± 5%. Основне застосування пристрою - світлодіодні лампи-ретрофіти і компактні LED-драйвери.

На наведеному графіку зображені чотири криві для різної кількості світлодіодів в навантаженні (4 ... 7). Як видно з малюнка 7, при номінальному навантаженні на виході ККД в більшості значень з діапазону вхідної напруги не опускається нижче 80%, при цьому коефіцієнт потужності вище 0,9.

Мал. 7. Залежність ККД від вхідної напруги для різного навантаження

Розкид значень вихідного струму знаходиться в межах 3% у всьому діапазоні навантажень.

Важливим параметром є коефіцієнт нелінійних спотворень. Його величина не піднімається вище 20% для різних навантажень.

На малюнку 8 показаний графік гармонійних складових спотворень, що вносяться мікросхемою драйвера в мережу, і норми помехоеміссіі відповідно до ГОСТу 30804.3.2-2013 (IEC 61000-3-2) для приладів класу C. Випробування проводилися при наступних умовах:

• напруга живлення: 230 В, 50 Гц;
• потужність по входу: 11,8 Вт;
• потужність по виходу: 9,9 Вт;
• коефіцієнт потужності: 0,963.

Мал. 8. Гармонійні складові спотворень, що вносяться в мережу HVLED815PF

З отриманих вимірювань можна зробити висновок, що драйвер HVLED815PF повністю відповідає вимогам нормативних стандартів.

Для визначення максимальних температур елементів плати були проведені дослідження за допомогою ІЧ-камери. Драйвер харчувався від напруги 230 В, вихідна потужність дорівнювала 10 Вт. Для повної стабілізації перехідних теплових процесів вимірювання проводилися через 60 хвилин після включення. На малюнку 9 наведено знімок верхньої сторони плати.

Мал. 9. Розподіл температури на верхній стороні плати EVLHVLED815W10F під навантаженням

Максимальна температура 69,2 ° С (таблиця 1) спостерігається на обмотках трансформатора T1. На малюнку 10 представлений знімок нижньої сторони плати.

Мал. 10. Розподіл температури на нижньому боці плати EVLHVLED815W10F під навантаженням

Таблиця 1. Температура на верхній стороні плати EVLHVLED815W10F

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

Тут максимальна температура дорівнює 62 ° С. Таким чином, можна зробити висновок, що мікросхеми серії HVLED8xx є відмінним рішенням для компактних і ефективних застосувань з потужністю до 15 Вт.

Перейдемо до розгляду більш потужної лінійки драйверів HVLED00x . Вона відрізняється більш широким функціоналом, і внаслідок підвищення потужностей вимагає використання зовнішнього MOSFET.

На базі мікросхеми HVLED001A можна побудувати обратноходового перетворювач потужністю до 75 Вт і, в разі використання двоступеневої схеми перетворення - до 150 Вт. Також можливі схеми побудови по топології понижуючого перетворювача (buck), підвищуючого перетворювача (boost) і SEPIC-перетворювача. Драйвер має чотири режими роботи:

• режим запуску;
• активний режим;
• стоп-режим;
• режим малих струмів споживання.

Розглянемо їх докладніше. Мікросхема переходить в режим запуску відразу ж після подачі живлення або виходу з режиму малих струмів споживання. В цей час заряджається конденсатор харчування Vcc, і для прискорення цього процесу відключаються всі внутрішні споживачі, тим самим знижуючи час запуску.

Далі мікросхема переходить в активний режим, який є для неї основним. Він характеризується штатної роботою всіх систем і зовнішнього MOSFET. До тих пір, поки всі параметри експлуатації перебувають в робочій області, мікросхема буде перебувати в цьому режимі. Високовольтний запуск в цей час вимкнений.

Стоп-режим необхідний для зупинки комутації і швидкого перезапуску без виключення всього функціоналу додаткових служб драйвера, коли, наприклад, нормалізувалися умови експлуатації або зникли фактори, що перешкоджають нормальній роботі. Енергоспоживання в цьому режимі не мінімізовано, і процедура плавного старту недоступна.

Режим малих струмів споживання потрібен для зупинки комутації і зниження енергоспоживання до мінімально можливого рівня.

Драйвер має вбудовані захисту:

• від перевантаження по струму;
• від короткого замикання і обриву навантаження на виході;
• від збою в роботі оптопари (при наявності);
• від кидків вхідної напруги;
• від низького вхідного напруги (Brownout Protection);
• від переходу трансформатора в режим насичення;
• від короткого замикання в ланцюзі живлення мікросхеми.

Слід зазначити, що мікросхема може працювати з регулюванням по первинній стороні тільки в режимі стабілізованої напруги на виході (рисунок 11). Щоб живити світлодіоди постійним струмом, слід застосувати схему c оптронів ланцюга ОС.

Мал. 11. Типова схема включення HVLED001A в режимі CV

Для досягнення більшої енергоефективності застосовується коректор коефіцієнта потужності. Як показано на малюнку 12, ключ відкритий протягом постійного часу, змінюється лише частота проходження імпульсів. Сірі трикутники - це ток первинної обмотки, який протікає під час відкритого стану транзистора. Слідом за напругою мережі змінюється висота цих трикутників, в результаті чого огинає струму через ключ і середній струм первинної обмотки повторює форму випрямленої напруги. Різниця фаз споживаного з мережі струму і напруги також буде прагнути до нуля. Блакитні трикутники - струм випрямляча на вторинній стороні трансформатора.

Мал. 12. Механізм роботи коректора коефіцієнта потужності

Розглянемо мікросхему HVLED001A в умовах реальних застосувань. Драйвер потужністю 35 Вт (STEVAL-ILL069V2) має широкий діапазон вхідних напруг, один ізольований вихід 48 В і один допоміжний вихід 16 В з струмом 20 мА (малюнки 13, 14). Присутні захисту від короткого замикання і перевантажень по струму і напрузі.

Мал. 13. Плата STEVAL-ILL069V2

Короткі характеристики плати:

• вхідна напруга: 90 ... 305 В AC, 45 ... 66 Гц;
• вихідна потужність: 35 Вт;
• вихідна напруга: 48 В;
• вихідний струм: 730 мА;
• пульсації вихідної напруги на холостому ходу (Uвх = 230 В): 230 мВ;
• ККД драйвера: 90%;
• коефіцієнт нелінійних спотворень: 10%.

Мал. 14. Принципова схема STEVAL-ILL069V2

На малюнку 15 представлена ​​залежність ККД від вихідної потужності при різних значеннях вхідної напруги. Графік лине, і лише в області малих потужностей спостерігається спад до 80%. Для роботи в зоні низького споживання необхідно знизити час, протягом якого транзистор проводить струм (tON), або збільшити час його перебування в вимкненому стані (tOFF). Таким чином, драйвер починає працювати в режимі переривчастих струмів (DCM). Для цих цілей доцільно коммутировать транзистор драйвера при мінімальних значеннях напруги на його стоці (Valley Skipping mode). Причому для збільшення часу tOFF можна подавати сигнал управління на затвор в момент другого, третього та інших мінімумів коливального процесу напруги (рисунок 16). В результаті частота комутації буде знижуватися (Frequency foldback). Знижується і енергія, необхідна для включення транзистора.

Мал. 15. Графік залежності ККД від вихідної потужності при різних вхідних параметрах

Мал. 16. Діаграми напруг в режимі Valley Skipping mode

Час, протягом якого внутрішня логіка не детектирует мінімуми напруги на стоці, може становити 0 ... 200 мкс і задається напругою на ніжці TOFF. MOSFET-транзистор включиться в момент мінімуму напруги «стік-витік» з часом TBLANK.

Що стосується залежності коефіцієнта нелінійних спотворень і коефіцієнта потужності від вхідної напруги, КМ у всьому діапазоні не опускається нижче 0,96, а КНІ не піднімається вище рівня в 10%.

У режимі бездіяльності (Standby) драйвер споживає потужність не більше 250 мВт.

Підсумувавши все вищесказане, можна сказати, що HVLED001A - хороший вибір для побудови LED-драйверів середньої потужності. Мікросхема забезпечена великим набором вбудованих ланцюгів захисту, що підвищує надійність, і функціоналом, що дозволяє значно скоротити перелік елементів в кінцевому пристрої.

STMicroelectronics активно розвиває лінійку LED-драйверів. Компанією заплановано вихід двох нових представників HVLED - HVLED003 і HVLED005. Анонсовані такі ключові особливості як:

• топологія обратноходового квазірезонансного перетворювача;
• регулювання параметрів по первинній стороні;
• точність завдання вихідного струму ± 5%;
• діммінг за допомогою симистора (для HVLED003);
• глибокий діммінг (<5%);
• діммінг за допомогою ШІМ і аналогового інтерфейсу 0 ... 10 В;
• низький КНС (<10%) і високий КМ (> 0,9);
• захист від КЗ або обриву в навантаженні;
• запуск і харчування від високовольтної напруги;
• захист від перегріву.

До сучасних джерел живлення для світлодіодів пред'являються все більш жорсткі вимоги. Вони повинні володіти високими технічними характеристиками, не чинити істотного впливу на живильну мережу, а також бути надійними і безпечними.

Лінійка HVLED повністю відповідає цим вимогами, перекриваючи діапазон потужностей 3 ... 75 Вт. Починаючи від молодших представників серії і закінчуючи старшими моделями, мікросхеми LED-драйверів виробництва компанії STMicroelectronics зарекомендували себе як ефективні та якісні рішення.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі