Аналіз та розробка LED-драйвера (стр. 5 из 6)
Але якщо навантаження справного джерела живлення виявиться настільки великим, що конденсатор С5 не встигне зарядитися до нормальної напруги навіть після «м'якого» старту, що триває 8,5 мс, то напруга на виводі FB також може зрости до граничного значення 4,8 В. Щоб запобігти передчасному вимиканню ІДЖ, у контурі регулювання використовується інтегруючий конденсатор С4, що затримує спрацьовування захисту при перевантаженні, що й забезпечує необхідну динамічну стійкість контуру регулювання при досить швидкій реакції на дестабілізуючі фактори.
Коли навантаження джерела живлення значно зменшується або відключається, у контурі регулювання напруга на виводі FB знижується. Як тільки напруга поменшає на 50 мВ нижче граничного значення 0,5 В, блок BURST-MODE LOGIC виключає транзистор. Після вимикання транзистора контур регулювання зменшить вихідну напругу ІДЖ, напруга на виводі зворотного зв'язку почне збільшуватися й перевищить поріг включення, відновляючи роботу комутуючого транзистора на короткий час, що відповідає режиму формуванні пачок комутуючих імпульсів Burst-mode.
Не менш важливою функціональною властивістю мікросхем нового поколінні є так званий «захист Brown-out» - функція нефіксованого відключення джерела живлення при виявленні надмірного зниження сіткової напруги. У реальних умовах сіткова напруга може довільно змінюватися в припустимих межах. Використовуючи функцію Brown-out, конструктор може вибрати деяке значення низької вхідної напруги Vin-off, при якім відбувається вимикання ІДЖ, і напругу повторного включення Vin-on. Для правильного функціонування джерела живлення напруга Vin-on повинна бути менше, ніж амплітудне значення мінімальної сіткової напруги, а напруга Vin-off менше, ніж мінімальна напруга на вхідному конденсаторі С1, що згладжує, при мінімально можливій сітковій напрузі й максимальному навантаженню.
Для реалізації функції Brown-out випрямлена сіткова напруга подається на резистивний дільник Rh/Rl. Щоб правильно розрахувати номінальні значення резисторів з урахуванням обраних значень напруг
Vin-on і Vin-off, необхідно скористався співвідношеннями, які приводяться в довідкових даних на мікросхему.
З виходу дільника напруга подається на вивід BR мікросхеми, а потім на вхід Br-Компаратора, що інвертує, у якому вона порівнюється з опорною напругою 0.45 В. До входу компаратора, що інвертує, також підключений генератор струму Ibr, що забезпечує гістерезис 50 мВ щодо опорної напруги 0.45 В, що необхідно для виключення безладного спрацьовування компаратора.
Поки напруга на вході Br-Компаратора менше граничної, на його виході сигнал Vin_OK = 0 забороняє роботу ШІМ-Компаратора й комутуючого транзистора. Цей же сигнал через інвертор підтримує генератор струму Ibr у включеному стані. Як тільки напруга на виводі BR перевищить опорну напругу на 50 мВ. сигнал Vinok = 1 відключить генератор струму, одночасно включаючи ШІМ-Компаратор і комутуючий транзистор. При зниженні напруги на виводі BR нижче опорної джерело живлення виключиться, залишаючись у готовності до повторного включення.
Якщо при проектуванні ІДЖ використання функції Brown-out не передбачається, вивід BR з'єднують із загальним проводом.
2.1.2 Мікросхема STCS05
Компанія STMicroelectronics випускає просту та дешеву мікросхему стабілізатора струму світлодіодів STCS05. Вона призначена для живлення світлодіодів від низьковольтних джеререл з напругою 5, 12, 24 В. Максимальна напруга може бути 40 В. Мікросхема забезпечує вихідний струм до 0,5 А. При цьому падіння напруги на регулюючому транзисторі мікросхеми не превищує 0,5 В.
До додаткових функцій мікросхеми відноситься:
– Можливість регулювати яскравіть світлодіодів широтно-імпульсною модуляцією вихідного струму;
– Можливість відключати роботу мікросхеми сигналом управління;
– Можливість сигналізації обриву в ланцюжку світлодіодів.
Структурна схема мікросхеми STCS05 показана на рисунку 8.
Рисунок 8 - Структурна схема мікросхеми STCS05
Мікросхема випускається в корпусі SO-8. Призначення виводів показано в таблиці 5.
Таблиця 5 - Призначення виводів мікросхеми STCS05
| Номервиводу | Позна-чення | Призначення |
| 1 | Vcc | Вивід підключення вхідної напруги |
| 2 | PWM | Вхід регулювання яскравості світтіння методом ШІМ |
| 3 | EN | Вхід дозволу роботи мікросхеми |
| 4 | DRAIN | Вивід, до якого подключений сток внутрішнього N-канального МДН транзистора, призначений для підключення навантаження |
| 5 | FB | Вивід, до якого підключається зовнішний резистор програмування вихідного струму |
| 6 | GND | Вивід загальний |
| 7 | N.C. | Вивід не використовується |
| 8 | DISC | Вивід сигналізації обриву в колі навантаження |
Робота мікросхеми відбувається таким чином. Коли на мікросхему подана напруга живлення та на вхід EN подається логічний 0, блок логіки EN&ШІМ відключає (Shutdown) всі внутрішні вузли мікросхеми, її споживання в такому випадку не перевищує 2 мкА. При логічній 1 на вході EN робота мікросхеми дозволена. Для регулювання середнього струму світлодіодів сигнал PWM через блок логіки EN&ШІМ управляє блоком логіки драйвера силового МДН транзистора, закриваючи його низьким рівнем та відкриваючи високим. Частота сигналу PWM може обиратися в межах 5 – 50000 Гц.
Напруга, що поступає з зовнішного резистора програмування струму через вхід FB, порівнюється з опорною у 100 мВ компаратором, який в свою чергу здійснює управління силовим транзистором для підтримки встановленного струму.
Величина опору резистора встановлення струму світлодіодів визначається співвідношенням Rf = 100 мВ/Iled. Для прикладу, при струмі світлодіодів 350 мА опір резистора буде Rf = 100 мВ/350 мА = 0,284 Ом.
Коли мікросхема знаходиться в робочому стані (EN=1), вона може відслідковувати аварійний стан в ланцюжку світлодіодів шляхом моніторінгу напруги на виводі DRAIN. Якщо ця напруга стане менше 75 мВ, DISC-компаратор встановить низький рівень напруги на виводі DISC.
Мікросхема має в своєму складі крім внутрішних джерел напруг живлення та джерел опорних напруг ще й блок захисту від перегріву.
Типова схема вмикання мікросхеми STCS05 показана на рисунку 9.
Рисунок 9 - Типова схема вмикання мікросхеми STCS05
В цій схемі елементи Rin, Cbyp утворюють фільтр в колі живлення мікросхеми. Діод, що вмикається послідовно з Rin потрібний для захисту мікросхеми та світлодіодів від подачи невірної полярності напруги живлення. Конденсатор Cdrain шунтує силовий МДН транзистор та запобігає появі викидів струму через світлодіоди при його ШІМ регулюванні.
2.2 Розрахунок параметрів елементів схеми драйвера
Драйвер білих світлодіодів призначений для живлення трьох світлодіодів потужністю 1 Вт від мережі змінного струму напругою 220 В. Світильник, що має в своєму складі цей драйвер, призначений для створення інтер’єрного підсвічування в приміщенні домашнього кінотеатра і управляється автоматизованою системою. Світильник може використовуватися для створення світлового фону для комфортного сприйняття екрану або для підсвічування у затемненому приміщенні нерівностей підлоги. Особливістю драйвера є можливість автоматичного регулювання яркості в залежності від режиму роботи кінотеатра.
Драйвер будується за допомогою двоступеневого перетворення напруги мережі. При першому перетворенні змінна напруга мережі перетворюється у стабілізовану постійну напругу 12 В. При другому перетворенні стабілізована напруга поступає на стабілізатор струму світлодіодів, який обладнується системою регулювання яскравості методом широтно-імпульсної модуляції.
Світлодіоди, якими управляє драйвер, мають такі параметри:
– Колір білий, зелений або голубий;
– Пряме падіння напруги – 3,6 В;
– Динамічний опір – 1 Ом;
– Прямий струм – 350 мА.
Аналіз параметрів світлодіодів формує вимоги до джерела живлення першого перетворення напруги. Очевидно, що вихідна напруга цього джерела повинна бути 12 В при струмі 400 мА, припустимим рівнем пульсацій вихідної напруги можна вважати 5% від номінальної.
Аналіз елементної бази показує, що для побудови цього джерела доцільно використовувати мікросхему Viperl7. Розрахунок параметрів схеми можна виконати за допомогою спеціалізованої програми SMPS@eDisign Studio, яка призначена для розробки джерел живлення на мікросхемах фірми STMicroelectronics. Слід особливо зазначити, що використання спеціалізованих програм виправдано тим, що значно скорочується час розробки готових виробів, а розроблювач застрахований від помилок при ручних розрахунках.
Головне вікно програми показано на рисунку 10.
Рисунок 10 - Головне вікно програми SMPS@eDisign Studio
Головне вікно складається з декількох областей. В лівій області треба ввести дані, що характеризують майбутнє джерело живлення. У нашому випадку це вхідна постійна напруга від 266 до 380 В, що відвовідає припустимому робочому діапазону напруги мережі змінного струму 185 – 265 В після випрямляння. Вихідна напруга майбутнього джерела буде 12 В при струмі 0,4 А.
В правій області програма запропонує перелік мікросхем, придатних для реалізації такого проекту. Після вибору певної мікросхеми (наприклад, VIPer17HN) програма запропонує топологію схеми та надасть її коротку характеристику.
Якщо вибір мікросхеми зроблено, можна натисканням кнопки Start Design переходити безпосередньо до розробки проекту.