Wybór topologii przetwornicy DC-DC w sterownikach diod LED

Dopiero po przyporządkowaniu sterownika do odpowiedniej kategorii można rozważać kolejne parametry, takie jak koszt podzespołów, gabaryty, sprawność energetyczna, współczynnik mocy i niezawodność. W artykule przedstawione zostaną optymalne topologie konwerterów DC-DC dla każdego z wymienionych zakresów mocy na przykładzie scalonych sterowników firmy Fairchild Semiconductors.

Sterowniki małej mocy

Rys. 1. Nieizolowany konwerter DC-DC typu Buck z układem korekcji współczynnika mocy

W przypadku sterowników low-power krytycznym parametrem są ich gabaryty, pozwalające na zmieszczenie elektroniki wewnątrz obudowy lampy. Kolejne wymogi to duża sprawność energetyczna, niski koszt i precyzyjna kontrola natężenia prądu płynącego przez diody LED. Aby zapewnić kompatybilność ze specyfikacją Energy Star, lampa musi wykazywać współczynnik mocy powyżej 0,7 w zastosowaniach mieszkaniowych i powyżej 0,9 w aplikacjach komercyjnych przy mocy wejściowej przekraczającej 5 W.

Gdy nie jest wymagana izolacja galwaniczna, najtańszą możliwością realizacji sterownika jest zastosowanie przetwornicy o topologii Buck. Przykład tego typu nieizolowanego konwertera przedstawiono na rysunku 1 wykonanego na bazie sterownika FL7701. Zawiera on dodatkowo układ korekcji współczynnika mocy i układ regulacji prądu wyjściowego.

Wymaga tylko jednej cewki i tranzystora z wewnętrzną diodą regeneracyjną. W przypadku, gdy niezbędne jest zapewnienie izolacji galwanicznej między sterownikiem i obciążeniem, dobrym rozwiązaniem jest konwerter o topologii flyback z obwodem regulacji prądu po stronie pierwotnej transformatora (PSR - primary-side regulated), którego schemat przedstawiono na rysunku 2.

Bazuje on na sterowniku FSEZ1317 Fairchilda. Niskie koszty zapewnia tu brak obwodu sprzężenia zwrotnego po stronie wtórnej. Zintegrowanie tranzystora MOSFET wewnątrz kontrolera pozwala zmniejszyć powierzchnię płytki drukowanej i liczbę elementów. Brak sprzęgacza optycznego znajdującego się zazwyczaj w układzie sprzężenia zwrotnego po stronie wtórnej zwiększa niezawodność sterownika.

Rys. 2. Konwerter o topologii flyback z regulacją prądu po stronie pierwotnej transformatora

Gdy sterownik LED z konwerterem PSR pracuje w trybie stałego napięcia, podczas przepływu prądu rozładowania przez cewkę na uzwojeniu pomocniczym transformatora pojawia się napięcie będące odwzorowaniem sumy napięcia wyjściowego i spadku napięcia na diodzie wyjściowej. Napięcie przewodzenia diody zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się płynącego przez nią prądu, dlatego pod koniec czasu rozładowania napięcie na uzwojeniu pomocniczym odpowiada napięciu wyjściowemu konwertera.

Próbkując napięcie na uzwojeniu pomocniczym, można dzięki temu uzyskać informację o wartości napięcia wyjściowego. Przy pracy w trybie stałego prądu, natężenie prądu wyjściowego może być estymowane poprzez pomiar prądu szczytowego cewki i czasu rozładowania (natężenie prądu wyjściowego odpowiada średniemu natężeniu prądu w cewce w stanie stabilnym).

W przypadku stosowania topologii PSR można osiągnąć sprawność konwertera wynoszącą około 85%. Przykładowo, w aplikacji 8,4 W całkowite zmierzone straty mocy wynosiły 1,32 W przy napięciu wejściowym 85 V_AC. Z tego 0,55 W przypadało na transformator, 0,31 W na obwód ogranicznika przepięć (na rys. 2 dioda z połączonymi równolegle rezystorem i kondensatorem dołączonymi do uzwojenia pierwotnego), 0,26 W na tranzystor MOSFET oraz 0,2 W na prostownik mostkowy i prostownik wyjściowy.

Rys. 3. Jednostopniowy konwerter flyback z korekcją współczynnika mocy

Źródłem największych strat jest transformator i ogranicznik przepięć, wykorzystywany do eliminacji przepięć na drenie tranzystora, wynikających z wpływu indukcyjności rozproszenia transformatora. Wejściowy filtr EMI i źle zaprojektowana płytka drukowana również mogą być znaczącymi źródłami strat.

Straty na poziomie 1,32 W w opisywanym układzie mogą się wydawać niezbyt istotne, jednak w aplikacjach małej mocy diody LED są zazwyczaj umieszczone w pobliżu wyjścia sterownika, tak więc nagrzewanie się całej konstrukcji wynika ze strat w sterowniku i mocy dostarczonej do obciążenia.

Ponieważ opcja chłodzenia wymuszonym obiegiem powietrza nie jest w tym przypadku dostępna, rozproszenie 8,4 W mocy z układu elektronicznego, konieczne do zapewnienia wymaganej niezawodności, wymaga zastosowania odpowiedniej oprawki lampy. Zastosowane w sterowniku kondensatory elektrolityczne, przy braku efektywnego chłodzenia, wpływają na pogorszenie współczynnika MTTF.

Sterowniki średniej mocy

Rys. 4. Dwustopniowy konwerter z korekcją PFC i quasi-rezonansowym stopniem flyback

W sterownikach mid-power również wymagana jest minimalizacja powierzchni płytki drukowanej i optymalizacja współczynnika mocy. Dobrym rozwiązaniem jest tu jednostopniowa topologia flyback z korekcją współczynnika mocy z układem FL6961 lub FL7930 firmy Fairchild (rys. 3).

Jednostopniowa topologia pozwala zredukować liczbę podzespołów, w tym wyeliminować duże kondensatory wejściowe, co oznacza oprócz mniejszych gabarytów także niższy koszt. Zastosowana przetwornica zawiera układ korekcji współczynnika mocy i obwód sprzężenia zwrotnego po stronie wtórnej transformatora.

Pozwala osiągnąć sprawność do 84%. Ze względu na topologię flyback (zaporową), głównym źródłem strat sterownika LED w dalszym ciągu pozostaje transformator i ogranicznik przepięć. Straty mocy w ograniczniku są tym większe, im większa jest moc wyjściowa konwertera. Ich wartość jest proporcjonalna do iloczynu indukcyjności rozproszenia transformatora i kwadratu prądu szczytowego tranzystora MOSFET.

Sterowniki dużej mocy

Rys. 5. Dwustopniowy konwerter z korekcją PFC i stopniem LLC

W sterownikach LED dużej mocy projektanci skupiają się na uzyskaniu jak największej sprawności i niezawodności przy minimalizacji kosztów podzespołów. Polecane są tu przetwornice dwustopniowe. Pierwszy stopień zapewnia korekcję współczynnika mocy, a drugi stabilizację prądu wyjściowego.

W pierwszym stopniu można zastosować identyczny konwerter flyback, jak w przypadku sterowników mid-power. W drugim stopniu polecane jest zastosowanie jednej z dwóch topologii konwerterów: quasi-rezonansowego typu flyback w aplikacjach o mocy do 100 W lub LLC w aplikacjach o mocy powyżej 100 W.

Układ flyback zapewnia dość dużą sprawność i mniejszy stopień złożoności obwodu niż w przypadku LLC. Zaletą topologii quasi-rezonansowej jest redukcja strat na przełączanie związanych z pojemnością wyjściową tranzystora MOSFET i redukcja generowanych zaburzeń EMI. Niemniej jednak topologia LLC pozwala na uzyskanie jeszcze większej sprawności dzięki przełączaniu tranzystora w trybie ZVS i umożliwia zastosowanie mniejszego kondensatora podtrzymującego (hold-up).

W przetwornicy dwustopniowej możliwe jest osiągnięcie sprawności do 92%. Topologie przetwornic quasi-rezonansowej i LLC przedstawiono na rysunkach 4 i 5. W układzie z rysunku 5 do realizacji obwodu rezonansowego LLC wykorzystano indukcyjność rozproszenia i magnesującą transformatora. Aplikacje high-power najczęściej wykorzystują wiele łańcuchów diod LED. Dodatkowy kontroler widoczny w układzie z rysunku 5 służy do równoważenia prądów płynących w poszczególnych łańcuchach.

Podsumowanie

Dobór optymalnej topologii konwertera DC-DC zastosowanego w sterowniku LED zależy od jego mocy wyjściowej. W artykule zaproponowano różne topologie konwerterów dla sterowników małej, średniej i dużej mocy. Każda z nich zapewnia optymalny balans pomiędzy dostępną przestrzenią montażową, wymaganą sprawnością i niezawodnością, kosztem oraz stopniem złożoności układu sterowania.

Brian Johnson - Fairchild Semiconductor
Future Electronics
www.futureelectronics.com