+7 (4932) 23-08-11
+7 (4932) 23-08-91
Ивановский завод светотехники "Электро"153032, Россия, Иваново, ул. Ташкентская, 104.

Статьи / общее

Построение импульсных источников питания для светодиодных светильников

14 октября 2010

Большое количество включенных в сеть нагрузок с нелинейным характером потребления тока, таких как импульсные источники питания и светильники с газоразрядными лампами, приводит к значительным искажениям формы напряжения в сети. Форма напряжения в сети становится ближе к прямоугольной, что приводит к появлению большого количества гармоник.

Негативное влияние на питающую сеть определяется двумя составляющими: искажение формы тока питающей сети и потребление реактивной мощности. Степень влияния потребителя на питающую сеть зависит от его мощности.

В США и Европейских странах давно принят стандарт, регламентирующий нормы по коэффициенту нелинейных искажений в сетях и коэффициенту мощности для источников электропитания с выходной мощностью более 50 Вт, а для источников питания люминесцентных ламп и других осветительных приборов более 25 Вт. Для реализации устройств коррекции коэффициента мощности разработаны и выпускаются специализированные микросхемы, с помощью которых легко создать источники питания небольшой мощности.

Традиционное схемное решение входной цепи импульсного источника питания с мостовым выпрямителем и входной емкостью представлена на рис. 1, а на рис. 2 показана диаграмма работы такого выпрямителя.

Пока напряжение на входе выпрямителя (2) меньше чем на фильтрующей емкости (1) диоды закрыты, и ток (3) не протекает. Ток из сети потребляется во временном промежутке, обозначенном t1 - t2, когда выпрямленное напряжение сети становится больше напряжения на конденсаторе, причем, ток заряда емкости ограничен, только внутренним сопротивлением емкости и динамическим сопротивлением вентилей. Если в сеть включено достаточно большое количество источников с подобным характером потребления тока, возникает картина, когда протекающие импульсные токи значительно искажают форму напряжения в сети, что приводит к появлению гармоник, причем преимущественно нечетных. Повышение коэффициента гармоник оказывают крайне негативное влияние на многих потребителей, заставляя их применять специальные (зачастую весьма дорогостоящие) меры по их нейтрализации. Коэффициент мощности (отношение активной составляющей мощности к полной мощности) для такой схемы, находится в пределах 0,5 - 0,7 и зависит от величины ёмкости конденсатора и сопротивления нагрузки.

Рис.1 Выпрямитель со сглаживающей емкостью

Рис.2 Форма напряжения и тока на выпрямителе со сглаживающей ёмкостью: 1 - напряжение на емкости, 2 - выпрямленное напряжение, 3 - ток нагрузки.

Принцип работы ККМ

Основная задача корректора мощности (ККМ) сведение к нулю отставания потребляемого тока от напряжения в сети при сохранении синусоидальной формы тока. Для этого необходимо отбирать от сети ток не короткими интервалами, а на всем периоде работы. Мощность, отбираемая от источника, должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот. Для этих целей пригодны преобразователи с индуктивным накопителем и передачей энергии на обратном ходу.

Большинство современных корректоров мощности строятся по схеме, приведенной на рис 3. Входное напряжение, выпрямленное, мостом, состоящим из диодов VD1 - VD4 подается на схему, аналогичную схеме повышающего преобразователя на элементах L1, VT1, VD5, C1. Силовой транзистор управляется ШИМ со схемы управления (СУ). Длительность ШИМ зависит от напряжения на выходе корректора мощности (задается делителем R4, R5), и пропорциональна величине входного напряжения (делитель R1, R2).

Рис. 3. Схема корректора мощности

На сегодняшний день наибольшее распространение получили два режима работы ККМ для такой схемы:

Первый режим получил название Transition Mode (ТМ). В этом режиме индуктивность работает в режиме прерывистых токов. Время накопления энергии индуктивностью неизменно, изменяется время передачи энергии в нагрузку, индуктивность в этом режиме разряжается до "нуля". Цикл работы в этом режиме всегда начинается при нулевом токе ключа. Диаграмма работы корректора мощности в этом режиме показана на рис. 4.

Второй режим работы схемы называется Continuous Conduction Mode (CCM). В этом режиме индуктивность преобразователя работает в режиме непрерывных токов. В этом режиме изменяется время накопления энергии индуктивностью, а время передачи остается неизменным. Диаграмма работы корректора мощности в этом режиме показана на рис.5.

Рис. 4. Диаграмма работы корректора мощности в режиме TM.

Рис. 5. Диаграмма работы корректора мощности в режиме CCM.

Примеры конкретного построения ККМ

В настоящее время существует множество микросхем для управления ККМ, выпускаемых различными производителями. Среди них такие именитые фирмы как Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor.

Компанией STMicroelectronics выпускается линейка микросхем для построения корректоров мощности: L6561, L6562 и L6563 (табл. 1). Эти микросхемы предназначены для реализации корректоров мощности, работающих в режиме TM для мощностей преобразования не более 300 Вт.

Таблица 1. Микросхемы корректоров коэффициента мощности

Наименование Uпит., В Ток включения, мкА Iпотр. в активном режиме, мА Iпотр. в ждущем режиме, мА Выходной ток смещения, мкА Время нарастания тока силового ключа, нс Время спада тока силового ключа, нс
L6561 11...18 50 4 2,6 -1 40 40
L6562 10,3...22 40 3,5 2,5 30
L6563 10,3...22 50 3,8 3

Отличительные особенности микросхем L6561/2/3:

На основе линейки микросхем L656x можно строить недорогие, эффективные реализации корректоров. Дополнительным плюсом является возможность построения интерфейса между DC/DC-преобразователем и ККМ. Реализация такой связки даёт возможность управления преобразователем (если он поддерживает такую возможность), например, при возникновении неблагоприятных внешних условий (перегрев, перенапряжение) можно отключить преобразователь. С другой стороны, преобразователь тоже может инициировать включение и выключение микросхемы. Встроенный драйвер позволяет управлять мощными MOSFET- или IGBT-транзисторами.


Рис. 6. Схема корректора мощности на микросхемах L656x.

Микросхемы L656x снабжены специальными цепями, понижающими проводимость искажений входного тока, возникающих при достижении входным напряжением нулевого значения. Основная причина этих помех - "мертвая зона", возникающая при работе диодного моста, когда все четыре диода оказываются закрытыми. Пара диодов, работающих на положительную полуволну, оказываются закрытыми из-за смены полярности питающего напряжения, а другая пара еще не успела открыться из-за собственной барьерной емкости. Этот эффект усиливается при наличии фильтрующего конденсатора, расположенного за диодным мостом, который, при смене полярности питания, сохраняет некоторое остаточное напряжение, не позволяющее диодам вовремя открываться. Таким образом, очевидно, что ток в эти моменты не протекает, его форма искажается. Применение новых контроллеров ККМ позволяет в значительной степени сократить время "мертвой зоны", уменьшая тем самым искажения. Микросхемы совместимы друг с другом по выводам.

Наряду c применением контроллеров серии L656x в качестве корректора мощности, благодаря высокому быстродействию и низкой потребляемой мощности микросхемы могут успешно использоваться для реализации конвертеров обратноходового типа. Пример реализации схемотехнического решения, расчета и применения такого преобразователя можно посмотреть здесь . В этом приложении описан принцип построения преобразователя на примере микросхемы L6561, приведено подробное описание этой микросхемы и три возможных реализации схемы обратноходового (Fly-back) преобразователя на микросхемах серии L656x. Схема наиболее интересного, на мой взгляд, варианта реализации вышеописанного преобразователя представлена на рис. 7. Она взята из приложения AN1060. Как видно из рисунка, схема мало чем отличается от подобных реализаций на "обычных" ШИМ - контроллерах, например, серии UC3842 или подобных. Отсутствует высоковольтная емкость входного выпрямителя, как и в случае классической схемы корректора мощности. Схема обратной связи собрана на микросхеме TSM101, которая имеет в составе источник опорного напряжения и два раздельных канала стабилизации, в рассматриваемой схеме задействованы оба канала для стабилизации напряжения и тока. Если ток на выходе преобразователя не превышает 2А, стабилизируется напряжение, если ток достигает 2А, преобразователь переходит в режим стабилизации тока. Выход микросхемы TSM101 через опторазвязку на 4N35 соединяется со входом усилителя рассогласования микросхемы L6561 (вывод 1), на элементах, включенных между входом и выходом ОУ (выводы 1 и 2) реализована цепь коррекции обратной связи. Делитель, соединенный с входом MUL (вывод 3) задает максимальное значение тока, проходящее через силовой ключ, по сути он задает величину падения напряжения на резисторе, соединенном с входом CS (вывод 4) при котором срабатывает компаратор, ограничивающий ток в первичной цепи. Таким образом, ток через силовой ключ пропорционален величине входного напряжения, задается синусоидальная форма потребляемого тока и совпадение по фазе напряжения и тока. Через резистор, включенный между питающей обмоткой и выводом 5 микросхемы, контроллер получает информацию о завершении очередного цикла передачи энергии из индуктивности в нагрузку; как только напряжение на этом выводе становится равным нулю, внутренний компаратор микросхемы дает команду на открытие ключа и начало очередного цикла накопления. Таким образом, на одной микросхеме реализуется два устройства: силовой преобразователь и корректор мощности. К сожалению плата за такое упрощение схемы - высокий уровень пульсаций на выходе устройства, и, как следствие, необходимость ставить на выходе конденсаторы относительно большей емкости, ведь бороться теперь приходится с пульсациями частотой 100 Герц, а не только с высокочастотными. Однако такая схема вполне имеет право на существование в приложениях, где уровень выходных пульсаций не имеет решающего значения, например, в источниках питания для светодиодных светильников.


Рис. 7. Схема обратноходового преобразователя на микросхемах L656x.

Микросхемы для построения подобных вариантов источников питания для светодиодных светильников предлагает и фирма Texas Instruments. Ей выпущены на рынок две микросхемы UCC28810 и UCC28811, которые позиционируются как контроллеры управления источником питания для систем светодиодного освещения. Схема включения этих микросхем представлена на рис.7. Микросхемы предназначены для реализации корректоров мощности, работающих в режиме TM для мощностей преобразования не более 250 Вт. Параметры микросхем представлены в табл. 2.

Таблица 2. Микросхемы UCC2881x

Наименование Uпит., порог выключения, В Uпит.,порог включения, В Iпотр. в активном режиме, мА Iпотр. в ждущем режиме, мкА Iвых., мА Время нарастания тока силового ключа, нс Время спада тока силового ключа, нс
UCC28810 10 16 4-6 75 ±750 25 10

Отличительные особенности микросхем UC2881x:

На рис.8 представлена блок схема микросхемы UCC28810. Принцип работы микросхемы принципиально не отличается от микросхем серии L656x, описанных ранее. Есть даже определенная совместимость по выводам. К выводу 1 (Vsense) подключен инвертирующий вход усилителя рассогласования и два компаратора защиты. К этому выводу подключается сигнал обратной связи через резистивный делитель, к неинвертирующему входу усилителя рассогласования подключен источник опорного напряжения с уровнем 2.5В. Компаратор "OVP" защищает нагрузку от превышения напряжения. Если уровень напряжения на его неинвертирующем входе увеличивается до величины 2,7В, он блокирует выход ШИМа, второй компаратор "Enable" контролирует наличие выходного напряжения, при понижении напряжения на его входе ниже 0,57В прохождение ШИМа также блокируется.

К выводу 2 (EAOUT) микросхемы подключен выход усилителя рассогласования. Подключая соответствующие компоненты между "землей" и выводом 2 или выводом 2 и выводом 1 можно задать необходимый коэффициент усиления петли обратной связи и частотную характеристику.

К выводу 3 (VINS) подключен токовый опорный генератор, и он, по сути, управляет величиной опорного напряжения на компараторе тока силового ключа, подключенного к выводу 4 (Isense); величиной напряжения на выводе 3 задается величина опорного напряжения на компараторе тока и, соответственно, максимальный ток через ключ. К этому выводу подключается внешний резисторный делитель, в свою очередь включенный к входному выпрямителю. Таким образом, ток через силовой ключ изменяется пропорционально входному напряжению и совпадает с ним по фазе.

К выводу 5 (TZE) микросхемы подключен компаратор, контролирующий окончание рабочего цикла, этот вывод должен быть подключен к обмотке трансформатора, по окончании цикла отдачи передачи энергии из индуктивности в нагрузку он инициирует начало нового этапа накопления.

Вывод 7 (GDRV) микросхемы, выход ШИМ, позволяет отдавать пиковый ток до 750 мА.


Рис. 8. Блок схема микросхемы UCC28810.

На рис. 9 показана принципиальная схема источника питания светодиодного светильника реализованного на микросхеме UC28810. Цепь обратной связи сконструирована так, что с датчика тока - резистора LED current sense - считывается значение тока, протекающего через нагрузку.


Рис. 9. Схема преобразователя для светодиодного светильника на микросхеме UCC28810.

Импульсные блоки питания (преобразователи AC/DC) открытого исполнения

Данная группа изделий представлена крупнейшим тайваньским производителем "Mean Well" (www.meanwell.com). Преобразователи отличаются между собой мощностью, габаритными размерами, количеством выходов (один, два или три) и наличием корректора коэффициента мощности. Имеют защиту от короткого замыкания, перегрузки и перенапряжения на выходе.

Серии PS-хх, PD-хх, PT-хх Серия LPP-ххх Серия PPS-ххх
хх - Pвых: 0,5; 15; 25; 45; 65Вт ххх - Pвых: 100; 150Вт ххх - Pвых: 125; 200Вт

Основные параметры (в зависимости от модели):

Параметры блоков питания.

Наименование* Pвых., Вт Uвых., В/Iвых., А Габаритные размеры, мм
AC/DC преобразователи с одним выходом
PS-15-xx 15 - 5/2,8 - 12/1,25 - 94×49×25
PS-25-xx 25 3,3/5,0 5/5,0 7,5/3,3 12/2,1 13,5/1,9 107×61×28
PS-45-xx 45 3,3/8,0 5/8,0 7,5/5,4 12/3,7 13,5/3,3 127×76×28
PS-65-xx 65 3,3/12,0 5/12,0 7,5/8,0 12/5,2 13,5/4,7 127×76×42
AC/DC преобразователи с одним выходом и корректором коэффициента мощности
LPP-100-xx 100 3,3/20 5/20 7,5/13,5 12/8,5 13,5/7,5 222×62×35
LPP-150-xx 150 3,3/30 5/30 7,5/20 12/12,5 13,5/11,2 222×75×41
PPS-200-хх 200 - 5/0...36 - 12/0...16,6 - 127×76×34
AC/DC преобразователи с двумя и тремя выходами
PD-45 A: 40 A: 5/0,4...5; 12/0,2...2,5 127×76×30
B: 40,8 B: 5/0,4...5; 24/0,2...1,8
PT-45 A: 40,5 A: 5/0,4...5; 12/0,2...2,5; -5/0...0,5 127×76×30
B: 42,6 B: 5/0,4...5; 12/0,2...2,5; -12/0...0,5
C: 43,5 C: 5/0,4...5; 15/0,2...2,3; -15/0...0,5
Наименование* Pвых., Вт Uвых., В/Iвых., А Габаритные размеры, мм
AC/DC преобразователи с одним выходом
PS-15-xx 15 15/1 24/0,625 - 48/0,313 94×49×25
PS-25-xx 25 15/1,7 24/1,0 27/0,9 48/0,5 107×61×28
PS-45-xx 45 15/3,0 24/1,9 27/1,7 48/1,0 127×76×28
PS-65-xx 65 15/4,2 24/2,7 27/2,4 48/1,35 127×76×42
AC/DC преобразователи с одним выходом и корректором коэффициента мощности
LPP-100-xx 100 15/6,7 24/4,2 27/3,8 48/2,1 222×62×35
LPP-150-xx 150 15/10 24/6,3 27/5,6 48/3,2 222×75×41
PPS-200-хх 200 15/0...13,3 24/0...8,3 27/0...7,4 48/0...4,167 127×76×34

*xx - обозначение выходного напряжения, В