SPICE-МОДЕЛЬ ДРАЙВЕРІB CВІТЛОДІОДІВ

Невід’ємна складова світлодіодних ламп – драйвери світлодіодів – пристрій перетворення змінного мережевого напруження в струм, що протікає через світлодіоди .

Ідеальний драйвер світлодіодів – драйвер, що підтримує постійне значення струму, який протікає через світлодіоди. Переваги бестрансформаторних драйверів світлодіодів – відсутність імпульсного AC/DC– або DC/DC-перетворювача і відповідно – котушки індуктивності або трансформатора, а також громіздкого завадоподавлюючого фільтра, що дозволяє знизити вартість і габарити світлодіодної лампи.

Ряд компаній випускає мікросхеми, орієнтовані на створення недорогих неізольованих бестрансформаторних джерел живлення світлодіодів, призначених для застосування в різних додатках. У їх числі Integrated Crystal Technology Inc. (DR3062), Supertex Inc. (CL8800/01), Texas Instruments (TPS92411) та інші. Ці мікросхеми забезпечують типове значення PF >0.9, ККД – понад 80% і THD – менше 25%.

Провідні компанії-виробники вкрай зацікавлені в просуванні своєї продукції на ринок і тому пропонують розробникам всебічну допомогу в розробці кінцевих виробів. Так, на web-сайтах багатьох компаній можна знайти програмне забезпечення (ПЗ) для розробки драйверів світлодіодів із застосуванням мікросхем, що випускаються цими виробниками. Як правило, використання ПЗ дозволяє виконати розрахунок номінальних значень компонентів драйвера, потужності, споживаної його компонентами (вихідним транзистором, діодом, котушкою індуктивності тощо), а також розрахунок ККД драйвера. Часто можна ознайомитися з результатами моделювання схеми, що значною мірою полегшує розуміння особливостей роботи драйвера в різних режимах.

На web-сайті компанії Texas Instruments можна знайти програмні та апаратні засоби, використання яких дозволяє отримати попередню оцінку вихідних характеристик і суттєво прискорити та спростити розробку драйвера світлодіодів, створеного на базі мікросхеми TPS92411. Це програми у форматі Excel для розрахунку номінальних значень компонентів і параметрів драйвера світлодіодів з використанням мікросхеми TPS92411. Є демонстраційні плати (evaluation board module) драйверів світлодіодів для мережевої напруги 230 і 120 В . У документації на ці плати наведені електричні схеми, характеристики драйверів, а також осцилограми, що пояснюють принцип їх роботи. Параметри драйвера світлодіодів для мережевої напруги 230 В дані в таблиці .

У даний час використання програм SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – програм моделювання з орієнтацією на інтегральні схеми) стало невід’ємною частиною розробки не тільки інтегральних схем, але й пристроїв, що містять ІМС. Не секрет, що використання програм моделювання при розробці нових аналогових, цифрових і аналого-цифрових пристроїв дозволяє скоротити терміни розробки, налагодження та тестування закінчених пристроїв. Цілком очевидно, що схему простіше моделювати з використанням персонального комп’ютера, ніж макетувати з паяльником у руках. Крім того, можливість у процесі моделювання виконати перевірку характеристик моделі в широкому діапазоні зміни параметрів компонентів, температури навколишнього середовища тощо дозволяє прискорити розробку схем.

Тому не дивно, що компанія Texas Instruments надає також PSpice-модель мікросхеми TPS92411 (TPS92411 Simulation Model) і створену на її базі модель драйвера світлодіодів, призначеного для роботи при мережевій напрузі 120 В (www.ti.com/product/tps92411).

Параметри драйвера світлодіодів з використанням ІМС TPS92411

У статті наводяться результати моделювання бестрансформаторного драйвера світлодіодів, побудованого на базі мікросхеми TPS92411. Як програма схемотехнічного моделювання використовувалася програма PSpice A/D OrCAD v.16.5.

ІМС TPS92411

Анонсована мікросхема TPS92411 являє собою, по суті, «плаваючий» МОП-ключ з пристроєм керування . Структурна схема драйвера світлодіодів із застосуванням ІМС TPS92411 наведена на рис. 1.

Опір транзисторного ключа у відкритому стані 2 Ом (типове значення), допустима напруга 100 В, швидкість наростання вихідної напруги при увімкненні становить 1 В/мкс. Для керування станом (увімк./відкл.) вбудованого комутуючого МОП-транзистора використовуються RS-тригер і два компаратори з регульованою напругою спрацьовування, що встановлюється з використанням лише двох зовнішніх резисторів. Мікросхема виготовляється в корпусі SOT23-5 або SO-8 Power-Pad і забезпечує максимальний струм до 200 або 350 мА відповідно.

.

Діапазон допустимої температури кристала –40…165 °C. Теплове опір RjbR_{jb}Rjb​ – 38 або 39.1 °C/Вт (залежно від типу корпусу). Використання мікросхеми TPS92411 у драйверах світлодіодів забезпечує отримання коефіцієнта потужності понад 0.9 .

Модель

У моделі драйвера використовуються моделі світлодіодів типу Cree XLamp MX6S LED (світловий потік 100-130 лм залежно від групи). Типове значення падіння напруги при прямому струмі 60 мА – 20 В. Вольтамперна характеристика світлодіодів MX-6S LED наведена на рис. 2. На рис. 3 наведена схема (OrCAD) моделі драйвера світлодіодів із застосуванням мікросхеми TPS92411. Дана схема отримана в результаті нескладної доробки схеми драйвера TPS92411 PSpice Transient Model (Simulation Models), яку можна знайти на web-сайті компанії Texas Instruments. Модифікована схема моделі драйвера призначена для використання при мережевій напрузі 230 В. Ланцюжок підключених світлодіодів розбивається на три секції таким чином, щоб сума падіння напруги на секціях була приблизно рівна амплітудному значенню мережевої напруги. При напрузі мережі 230 В рекомендовані значення: 40, 80 і 160 В .

Напруга порога спрацьовування вбудованого компаратора, при якому відбувається розмикання ключа, вибирається приблизно на 8-12 В вище падіння напруги на відповідних підключених секціях світлодіодів. Для наведеної на рис. 3 схеми – це 49, 89 і 169 В. Рекомендована напруга порога, при якому відбувається замикання МОП-ключа, становить приблизно 6 В. Таким чином, при досягненні напруги 49 В на першій секції (1) світлодіодів вбудований в ІМС U1 МОП-транзистор переходить у закритий стан і відбувається розрядка підключеного до секції конденсатора (C5) через входять до неї світлодіоди. Стабілізатор струму (Q2, Q3) підтримує заданий струм при зміні мережевої напруги. Величина струму визначається необхідною потужністю і відповідно опором резистора R22. Наприклад, при споживаній потужності 16.6 Вт величина струму становить 0.072 А (16.6 Вт/230 В) і опір резистора R22 дорівнює 34.8 Ом . Часові діаграми, що пояснюють принцип роботи драйвера, наведені на рис. 4. Графіки зміни струму, що протікає через секції світлодіодів при різних значеннях ємності фільтруючих конденсаторів (С4, С5, С10), наведені на рис. 5.

Висновок

Використання наданої компанією Texas Instruments PSpice-моделі драйвера світлодіодів, створеного на базі ІМС TPS92411, дозволяє виконати аналіз характеристик моделі при зміні параметрів компонентів і, в кінцевому рахунку, прискорити розробку драйвера.

Недорогі і надійні неізольовані бестрансформаторні драйвери світлодіодів, виконані на базі ІМС TPS92411, можуть знайти застосування в світлодіодних лампах, орієнтованих на різні додатки, у тому числі і світильниках для ЖКГ.

Більш повну інформацію про ІМС TPS92411 можна знайти в .

ЛSТЕРАТУРА

1. Floating Switch for Offline AC Linear Direct Drive of LEDs with Low Ripple Current. – Texas Instruments, October 2013(www.ti.com).
2. TPS92411EVM-002 Offline LED Driver. Evaluation Module. User’s Guide SLVUA08. – Texas Instruments, December 2013 (www.ti.com).
3. Switch Controlled Direct Drive Switch for Offline LED Drivers. User’s Guide SLVU965. – Texas Instruments, October 2013 (www.ti.com).
4. Охрименко В. Драйверы светодиодов //ЭКиС – Киев: VD MAIS, 2014, № 2-3.