Дешевый модуль драйвера светодиодов 0.5 А/33 В с КПД более 90%

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2015

Valentin Kulikov, Futuro Lighting

EDN

Введение

В статье описывается работающий в режиме стабилизации тока простой модуль драйвера с быстрой ШИМ, который может применяться для управления светодиодами средней и большой мощности. В модуле использован интегральный понижающий DC/DC преобразователь, стабилизированный выходной ток которого может настраиваться в диапазоне от 0.1 до 0.5 А. В статье приведено описание принципиальной схемы и даны указания по проектированию и использованию, позволяющие самостоятельно собрать несложный дешевый драйвер светодиодов.

Краткое описание

Модуль драйвера светодиодов (Рисунок 1) сделан на основе микросхемы понижающего преобразователя TS19376CY5, выпускаемого в корпусе SOT89-5. В понижающем драйвере реализовано гистерезисное регулирование, обеспечивающее довольно хороший КПД, превышающий 90%, и в то же время не требующее частотной коррекции. Выходной ток задается сопротивлением включенных параллельно резисторов R1…R3 в соответствии с масштабным коэффициентом 0.13 Ом/1 А.

Рисунок 1.	Схема драйвера светодиодов.

Гистерезисное регулирование вкратце можно описать так. Внутренний ключ микросхемы драйвера TS19376 подключает входное напряжение к нагрузке через индуктивность L1. Ток через индуктивность линейно нарастает до тех пор, пока напряжение на выводе CSN микросхемы не достигнет 149.5 мВ (130 мВ плюс гистерезис, равный 15% от 130 мВ). Встроенный ключ в этот момент закрывается, и текущий через индуктивность и D1 ток начинает линейно спадать. Когда напряжение на выводе CSN уменьшается до 110.5 мВ (130 мВ минус напряжение гистерезиса), ключ вновь открывается и процесс повторяется (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Форма напряжения на выводе SW микросхемы TS19376. («Земля» осциллографа подключена к VCC).

Частота переключения определяется выходным током (I_LED), входным напряжением (V_CC), выходным напряжением и величиной индуктивности L1.

ШИМ регулирование

Средний ток светодиода может управляться сигналом ШИМ. Такое диммирование очень распространено и легко реализуется либо с помощью микроконтроллера, либо иными способами, например, схемой на основе таймера 555. Сигнал ШИМ, подаваемый на вход PWM модуля (Рисунок 3), дожжен иметь нижний логический уровень менее 0.3 В, а верхний – более 2 В. TS19376 может работать при сравнительно высоких частотах ШИМ, что позволяет реализовать быстрое ШИМ регулирование с разрешением более 8 бит.

Рисунок 3.	Схема подключения драйвера светодиодов.

На входе ШИМ имеется подтягивающий резистор, поэтому при отключении входа ШИМ модуля ток светодиода I_LED увеличивается до максимального значения. Для исключения видимых мерцаний рекомендуется выбирать частоту ШИМ выше 100 Гц.

Практическая реализация

Отвод тепла от микросхемы TS19376 осуществляется дополнительным слоем металлизации на обратной стороне печатной платы, термически связанным с верхней поверхностью через переходные отверстия. Для исключения бросков тока при включении драйвера входной конденсатор C1 должен иметь малое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Емкость конденсатора C1 рекомендуется выбирать из диапазона 4.7 … 100 мкФ с диэлектриками X7R, X5R или лучшими. C1 следует разместить как можно ближе к выводу питания микросхемы IO1.

Оптимальный диапазон значений индуктивности L1 – 47…120 мкГн. Небольшая индуктивность лучше подходит для больших токов, а более высокие значения – для меньших токов, когда задержкой переключения можно пренебречь. Для снижения электромагнитных излучений размещать компоненты на печатной плате следует таким образом, чтобы площадь петли, по которой течет импульсный ток, была минимальной. Начало обмотки индуктивности должно быть подключено к коммутационному узлу (вывод SW микросхемы IO1).

У диода D1 при наибольшей рабочей температуре должен сохраняться низкий ток насыщения. Прямое падение напряжения на D1 влияет на КПД преобразования: чем оно ниже, тем выше КПД и меньше тепловые потери. Рекомендуется предусматривать 30-процентный запас по току диода относительно тока I_LED. Для данной конструкции в качестве D1 выбран выпрямительный диод Шоттки SS16 с максимальным током 1 А и допустимым напряжением до 60 В.

Конденсатор C2 подавляет пульсации выходного напряжения. Чем больше его емкость, тем меньше величина пульсаций и ниже частота ШИМ. Подчеркнем еще раз: от величины емкости C2 зависит максимальная частота ШИМ.

В конструкции используется заложенная в микросхему функция защитного отключения при перегреве. В случае если температура кристалла превысит 150 °C, драйвер отключится до тех пор, пока температура не опустится ниже 115 °C. Эта защита позволяет избегать перегрева модуля. Для улучшения тепловых характеристик модуль драйвера можно установить на внешний теплоотвод с помощью двусторонней теплопроводящей ленты. Можно также расширить функциональность модуля, подключив к нему фильтр электромагнитных излучений и цепь защиты от обратной полярности подключения (P-канальный МОП ключ), однако необходимость этих дополнений определяется только требованиями конкретного приложения. Модуль монтируется на печатной плате размером 16 × 16 мм, сделанной из двухстороннего стеклотекстолита FR4 толщиной 1 мм.

Заключение

Описанный драйвер имеет множество применений – от управления массивами светодиодов средней и большой мощности до схем заряда аккумуляторов и других устройств, где требуется источник стабильного постоянного тока. Количество светодиодов в последовательной цепочке определяется минимально допустимым входным напряжением (V_CC). Как можно видеть из Рисунка 4, чем ближе V_LED к V_CC, тем выше КПД схемы. Например, при V_CC = 12 В наилучшей нагрузкой будет последовательная цепочка из трех светодиодов, поскольку прямое падение напряжения на каждом из них равно примерно 3 В. Все измерения, результаты которых отображены на Рисунке 4, выполнялись при комнатной температуре с помощью автоматизированной испытательной установки.

Рисунок 4.	Зависимость КПД от входного напряжения.

Технические характеристики

• Топология: понижающий
• Микросхема драйвера: TS19376CY5
• Регулирование: гистерезисное
• Входное напряжение: 8…33 В DC
• Выходной ток: 100…500 мА
• Частота переключения: 1 МГц макс.
• Масштабный коэффициент задания тока: 0.13 Ом/1 А
• Диммирование: ШИМ, частота до 20 кГц
• Функции безопасности:
  • Отключение при перегреве
  • Защита от перегрузки по току
• Размеры: 16 × 16 × 5.5 мм
• Вес: 1.6 г

Перечень материалов

Материалы по теме

1. Datasheet Taiwan Semiconductor TS19376CY