MP4034: драйвер с интегрированным силовым ключом для питания мощных светодиодов

Драйверы MPS для питания светодиодов

Компания Monolithic Power Sys­tems (MPS) является одним из лидеров в разработке и производстве высокоэффективных компонентов аналоговой и силовой электроники на базе BiMOS- и DMOS-технологий. Линейка выпускаемой продукции включает DC/DC-преобразователи различного назначения, линейные стабилизаторы, специализированные драйверы заряда Li-ion аккумуляторов, супервизоры питания, драйверы подсветки мониторов, усилители мощности звуковой частоты D-класса и др.

Одним из ключевых направлений развития компания MPS является разработка и производство микросхем для питания мощных светодиодных источников света. Широко применяемые в настоящее время светодиодные источники света обладают высокой эффективностью, надёжностью и длительным временем эксплуатации, однако для своей работы они требуют источник постоянного тока – специальный светодиодный драйвер. Светодиодные драйверы выполняют преобразование напряжения сети переменного тока в постоянный ток на светодиоде, поддерживают его неизменное значение и выполняют энергосберегающие функции.

Отличительной особенностью светодиодных драйверов, построенных на базе микросхем MPS, являются их высокая эффективность (КПД), надёжность, низкое тепловыделение и минимальное количество внешних компонентов. В таблице 1 представлены краткие характеристики новейших драйверов и контроллеров компании MPS для питания мощных светодиодов от сети переменного тока [1].

Светодиодный драйвер MP4034 с гальванической развязкой

Одна из последних разработок компании MPS – драйвер MP4034 с интегрированным силовым ключом [2], предназначенный для питания светодиодов суммарной мощностью до 7 Вт. Особенность этого драйвера заключается в отсутствии оптопары и использовании минимального количества внешних компонентов. В микросхему интегрирован полный комплекс защиты драйвера от перегрева, короткого замыкания и обрыва в цепи светодиодов.

Первоначально питание микросхемы осуществляется от внутреннего высоковольтного источника тока, которое поступает на вход Drain (см. рис. 1). 

После того как напряжение на выводе V_cc достигает значения 17 В (см. рис. 2), питание от внутреннего высоковольтного источника тока отключается и включается режим преобразования, при котором для лучшей эффективности питание начинает поступать от вспомогательной обмотки N_AUX трансформатора T1. 

В случае падения напряжения V_cc ниже значения 6,2 В микросхема возвращается в первоначальный режим, питание снова поступает от внутреннего высоковольтного источника тока.

Микросхема MP4034 для своей работы использует граничный режим преобразования. При включении интегрированного в микросхему силового MOSFET-ключа происходит линейное возрастание тока I_p, протекающего через первичную обмотку трансформатора Np (см. рис. 1). Процесс продолжается до тех пор, пока ток не достигнет своего максимального значения I_pk (см. рис. 3).

При отключении интегрированного MOSFET-ключа ток I_S со вторичной обмотки трансформатора Т1 потечёт в цепь светодиодов через выпрямительный диод, уменьшаясь линейно (см. рис. 3). Ток, протекающий через выпрямительный диод (светодиодная цепь) вторичной обмотки N_S и силовой ключ, детектируется на выводе FB микросхемы MP4034 с помощью вспомогательной обмотки трансформа­тора N_AUX.

Выбросы тока, возникающие в трансформаторе в момент переключения ключа, будут проходить по цепи D_SN, R_SN, C_SN. Пиковый ток на светодиодах I_{pk_S} можно рассчитать, исходя из силы тока на силовом ключе I_pk (вторичной обмотке) и соотношения числа витков в первичной и вторичной обмотках:

где N_P – число витков в первичной обмотке трансформатора T1, N_S – число витков во вторичной обмотке трансформатора T1, I_pk – пиковый ток на силовом ключе.

Мощность, запасённая в первичной обмотке трансформатора, рассчитывается по формуле:

где L_m – индуктивность первичной обмотки трансформатора, I_pk – пиковый ток во вторичной обмотке трансформатора, f_s – частота преобразо­вания.

Микросхема MP4034 разработана для работы в обратноходовых преобразователях в режиме прерывистого тока (DCM). Для того чтобы предотвратить переход преобразования в режим непрерывного тока (CCM) микросхема детектирует задний фронт сигнала, приходящего на вывод FB в каждом цикле преобразования (см. рис. 4). 

Если величина заднего фронта оказывается менее 120 мВ, работа драйвера прекращается.

Защита от перенапряжения

В микросхеме MP4034 реализована двухуровневая защита от перенапряжения, работа которой основана на анализе значения сигнала на выводе FB. В нормальном режиме напряжение V_fb на выводе FB измеряется спустя 3,5 мкс после отключения внутреннего силового ключа, как показано на рисунке 4а.

В случае обнаружения микросхемой превышения напряжения на выводе FB 4,0 В срабатывает первый уровень защиты, при которой частота переключения уменьшается. Если напряжение на выводе FB продолжает расти и превышает значение 6,35 В, преобразование прекращается. После прекращения преобразования напряжение на выводе V_cc будет падать, и при достижении значения 6,2 В микросхема попытается возобновить свою работу (см. рис. 2). Для того чтобы защита не срабатывала, напряжение на выводе FB в нормальном режиме работы драйвера не должно превышать значения 4,0 В. Напряжение на выводе FB можно рассчитать по формуле:

где V_D – падение напряжения на выпрямительном диоде вторичной обмотки трансформатора T1, N_AUX – число витков вспомогательной обмотки трансформатора T1, N_S – число витков вторичной обмотки трансформаторов T1, N – число подключённых к драйверу светодиодов, V_f – падение напряжения на одном светодиоде, V_ref – опорное напряжение (типовое значение V_ref = 4,0 В), R_down и R_up – номиналы резисторного делителя на выводе FB.

Защита от обрыва в цепи светодиодов

Если значение напряжения –0,15 В по заднему фронту поступающего на вывод FB сигнала не детектируется (см. рис. 4), значит произошёл обрыв в цепи светодиодов. Микросхема MP4034 немедленно отключается и входит в прерывистый режим работы. Драйвер может возобновить нормальную работу только после устранения неисправности в цепи нагрузки.

Защита от перегрева

Микросхема контролирует температуру корпуса. При достижении значения +150°С работа преобразователя прекращается, автоматически включается режим восстановления. После остывания микросхемы до температуры +120°С работа преобразователя возобновляется.

Рекомендации по выбору компонентов

Для уменьшения электромагнитных помех (EMI) необходим входной фильтр, реализованный на элементах C1, C2 и L (см. рис. 1). Подключение резистора R с номиналом от 1 до 10 кОм параллельно индуктивности L уменьшает электромагнитные помехи в среднечастотной области. Конденсаторы C1 и C2 обычно подбираются, исходя из подключаемой к драйверу нагрузки (2…3 мкФ/Вт). В случае питания от сети переменного тока с напряжением 230 В значение номиналов конденсаторов можно уменьшить в два раза.

В выходной цепи рекомендуется использовать диод Шоттки (V_D), обладающий высокой скоростью переключения и низким падением напряжения на переходе. Для снижения стоимости возможно применение обычных диодов, однако в этом случае эффективность драйвера (КПД) может снизиться на 3–4%.

Применение трансформаторов с низкой индуктивностью рассеяния повышает эффективность преобразования. Структура трансформатора должна быть оптимизирована для максимальной связи первичной и вторичной обмоток трансформатора. Индуктивность рассеяния не должна превышать 5% [3].

RCD-демпфер в первичной обмотке необходим для гашения переходных процессов при переключении внут­реннего силового ключа (MOSFET-транзистора) (см. рис. 4а, T_{S_OFF}). Выброс напряжения, возникающий в момент размыкания ключа, передаётся через диод D_sn в конденсатор C_sn, заряжая его. При замкнутом состоянии ключа диод D_sn закрыт, а конденсатор C_sn разряжается через резистор R_sn.

Типовая схема включения

Для построения светодиодного драйвера на базе микросхемы MP4034 требуется минимальное количество компонентов. Принципиальная электрическая схема для питания трёх белых светодиодов суммарной мощностью 3 Вт представлена на рисунке 5. В ней используется 21 внешний компонент.

Относительно малое количество компонентов позволяет реализовать драйвер на печатной плате с небольшими габаритами (см. рис. 6), что в свою очередь делает возможным замену галогеновых ламп, ламп накаливания или компактных люминесцентных ламп светодиодными источниками света без изменения формы и размеров светильника [3].

Светодиодный драйвер MP4034 обладает эффективностью (КПД) более 75% в диапазоне входных напряжений от 85 до 265 В, при этом изменение светового потока не превышает 1,5% (см. таблицу 2).

Заключение

Микросхема MP4034, разработанная компанией MPS, позволяет реализовать светодиодный драйвер с гальванической развязкой для питания от электрической сети переменного тока. В микросхему интегрирована защита драйвера от перегрева, короткого замыкания и обрыва в цепи светодиодов. Высокая степень интеграции не требует большого количества внешних компонентов и делает возможным изготовление компактных драйверов с низкой себестоимостью.

Литература

1. MPS. Products. Isolated AC/DC Lighting. (www.monolithicpower.com)
2. MP4034 Offline LED Driver. 2012 MPS Rev.1.0. (www.MonolithicPower.com)
3. EV4034-S-00B 85VAC-265VAC/50Hz, 10V/350mA Primary-Side-Controlled, Offline, LED Driver Evaluation Board. 2013 Monolithic Power Systems, EV4034-S-00B Rev.1.1.

© СТА-ПРЕСС