Синхронный сильноточный понижающий драйвер светодиодов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2014

Hua (Walker) Bai, Linear Technology

Design Note 508

Введение

Смысл выражения «светодиод высокой мощности» претерпевает быстрые изменения. Еще несколько лет назад ярлык «высокой мощности» вешали на светодиоды с рабочим током 350 мА – довольно забавно на фоне сегодняшних 20-амперных светодиодов и 40-амперных лазерных диодов. Теперь мощные светодиоды используются в DLP проекторах, оборудовании хирургических помещений, театральном освещении, светотехническом оснащении автомобилей и еще во множестве приложений, где традиционно использовались высокоинтенсивные лампы накаливания. При этом мощные светодиоды часто приходится соединять в последовательные цепочки, и перед разработчиком возникает проблема создания высоковольтного драйвера. А если появляется требование быстрой реакции тока светодиодов на сигналы ШИМ, схема усложняется еще больше.

LT3763 – 60-вольтовый синхронный понижающий DC/DC контроллер, разработанный специально для точной стабилизации тока светодиода до 20 А посредством быстрой ШИМ. Это более высоковольтная версия выпущенного ранее прибора LT3743. Он может использоваться во множестве приложений благодаря наличию трех дополнительных контуров управления:

1. Петля обратной связи, обеспечивающая режим стабилизации выходного напряжения. Это может быть полезным для защиты от обрыва цепочки светодиодов или для определения момента прекращения заряда аккумулятора.
2. С помощью второй петли управления током можно устанавливать порог ограничения входного тока.
3. Петля управления входным напряжением может использоваться для слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) в приложениях, питающихся от фотогальванических элементов.

10-амперный драйвер светодиодов с входным напряжением 48 В, оптимизированный по КПД

Рисунок 1.	Драйвер 10 А с входным и выходным напряжением  48 В и 35 В, соответственно.

На Рисунке 1 показана схема, отдающая мощность 350 Вт в цепочку, которая может содержать до семи светодиодов, питающихся напряжением 48 В. При столь высоких уровнях мощности вопросы сокращения ее потерь приобретают критическое значение. Каждый процент улучшения КПД снижает рассеяние мощности на 3.5 Вт, что очень существенно, если общий бюджет потерь не превышает 7 Вт. Эта схема оптимизирована таким образом, чтобы при полной нагрузке работать с КПД 98.2%. Из Рисунка 2 видно, что при токах более 3 А КПД достигает 98%, а пиковый КПД при токе порядка 6 А равен 98.4%.

Рисунок 2.	КПД схемы на Рисунке 1.

При высоком напряжении потери переключения в MOSFET и потери в индуктивности преобладают над потерями проводимости. Для минимизации коммутационных потерь и сокращения размеров схемы установлена частота переключения 200 кГц. При максимальной нагрузке температура перегрева самой горячей точки схемы, находящейся на MOSFET верхнего плеча, не превышает 50 °C, что можно считать очень комфортными условиями для транзисторов.

10-амперный драйвер светодиодов с входным напряжением 36 В, работающий в режиме быстрой ШИМ

ШИМ-регулирование яркости свечения светодиодов – стандартный метод, используемый в мощных высококачественных светотехнических приложениях. Малое время отклика на сигналы ШИМ становится важным параметром в устройствах, используемых для создания изображений, таких, например, как DLP проекторы. На Рисунке 3 приведена схема драйвера на контроллере LT3763, оптимизированная по скорости реакции на ШИМ.

Рисунок 3.	Драйвер 10 А с входным и выходным напряжением 36 В и 20 В, соответственно.

Чтобы сделать отклик тока светодиода на сигнал ШИМ максимально быстрым, в LT3763 заложено множество инновационных функций. При заданном входном напряжении ток дросселя нарастает тем быстрее, чем меньше его индуктивность, что соответствующим образом отражается на уменьшении времени реакции тока светодиода. Для того чтобы ток от нуля вырос до максимального значения, этой схеме требуется всего несколько микросекунд. Осциллограммы сигналов, возникающих в схеме при ШИМ-регулировании яркости, изображены на Рисунке 4. При максимальной нагрузке КПД схемы равен 97%.

Рисунок 4.	Осциллограммы сигналов в схеме на Рисунке 3 при ШИМ регулировании яркости.

Зарядное устройство с питанием от солнечной батареи

LT3763 способен также, управляя выходным током, стабилизировать входное напряжение. Эта функция весьма полезна в приложениях, которые должны отслеживать точку пиковой входной мощности, например, в зарядных устройствах с питанием от фотогальванических элементов.

Каждая солнечная панель характеризуется точкой максимальной мощности, зависящей от уровня освещения, напряжения и выходного тока панели. Вообще, пиковый уровень мощности обеспечивается удержанием напряжения панели в узком диапазоне за счет снижения выходного тока, когда напряжение начинает приближаться к установленным границам. Это называется слежением за точкой максимальной мощности (MPPT).

Корректируя ток нагрузки, петля стабилизации выходного напряжения микросхемы LT3763 удерживает напряжение солнечной панели в точке максимальной мощности. Режимы стабилизации выходного тока или напряжения, а также функция C/10 делают очевидным выбор микросхемы для использования в устройствах заряда аккумуляторов.

Заключение

60-вольтовый сильноточный синхронный понижающий DC/DC контроллер LT3763 может использоваться для управления светодиодами высокой мощности. Предусмотрен режим быстрого ШИМ-регулирования яркости свечения. Область приложений, в которых возможно применение LT3763, практически не ограничена благодаря наличию трех дополнительных контуров управления и множеству высокоэффективных функций.