4.2-W GU10 cветодиодный драйвер с использованием автономного контроллера TPS92310

Дэвид Доу (David Dou)

Статья представляет собой описание светодиодного драйвера малой мощности с использованием автономного контроллера TPS92310 корпорации Texas Instruments со стабилизацией по первичной цепи.

Такое решение позволяет получить высокую производительность и хорошие показатели стабилизации выходного напряжения по нагрузке и сети за счёт обратноходовой топологии с адаптивным режимом «constant on-time» (COT — постоянство времени включённого состояния силового транзистора) и датчика тока в первичной обмотке. Исходный типовой проект PMP4325 является подходящим вариантом для использования в светодиодной лампе GU10 (30×18×10 мм) — он поддерживает все номиналы напряжения переменного тока на линейном входе, а также три или четыре последовательно соединённых светодиода на выходе при постоянном выходном токе 350 мА. Опыт показывает, что данное решение обладает хорошими показателями стабилизации выходного напряжения по нагрузке и по сети, высокой эффективностью, а также обеспечивает полную защиту источника питания светодиодного освещения.

Принцип работы

Контроллер TPS92310

Однофазная обратноходовая топология является эффективным решением применительно к светодиодному освещению малой мощности. Эта топология широко используется в светодиодном освещении по следующим причинам:

  • Небольшое количество элементов для гальванической развязки.
  • Высокий коэффициент мощности при использовании специальных свойств системы управления, как, например, адаптивный режим COT.
  • Небольшой типоразмер по сравнению с другими (двухфазными) топологиями.

Хотя однофазная обратноходовая топология имеет много преимуществ для светодиодного освещения, некоторые проблемные вопросы до сих пор требуют решения.

Проблемные вопросы:

  • Высокий коэффициент мощности.
  • Регулируемый на первичной обмотке контроллер с хорошими показателями стабилизации выходного напряжения по нагрузке и сети.
  • Защита от обрыва цепи и токов КЗ.

Контроллер TI TPS92310 — это однофазный контроллер с датчиком переменного/постоянного тока в первичной обмотке, служащий для получения постоянного тока сверхъярких светодиодов. Работает в переходном режиме (ТМ) с обнаружением нуля тока. Длительность импульсов (TON) практически постоянна в пределах полупериода напряжения. Следовательно, присутствует закономерная коррекция коэффициента мощности, так как пиковое значение тока первичной обмотки следует за профилем входного напряжения. TON настраивается так, чтобы ток светодиода регулировался на заданном уровне, установленном внешним токочувствительным резистором. TON также используется для расчёта управления обратноходового, повышающего и комбинированного преобразователей, функционирующих в переходном режиме при методе управления по времени включения, — для того чтобы достичь высокого коэффициента мощности, а также для управления понижающим преобразователем при управлении пиковым значением тока для универсального драйвера светодиода.

Измерение тока на первичной стороне не требует наличия оптро-на и дополнительной обмотки, тем самым требуется малое число компонентов и компактная плата. Кроме того, контроллер обладает отличительными особенностями, такими как поцикловое ограничение тока, защита от КЗ на выходе, защита от перенапряжения на выходе, защита от обрыва цепи светодиода, защита от токов КЗ светодиода, а также отключение по температуре. Все эти функции обеспечивают защиту для устройства светодиодного освещения.

Управление с постоянной длительностью импульса

В стандартном повышающем корректоре коэффициента мощности для поддержания синфазности входного тока и входного напряжения обычно используется режим с управлением с постоянной длительностью импульса — для получения высокого коэффициента мощности и низкого коэффициента гармонических искажений.

Коррекция коэффициента мощности не является характерной чертой для однофазной обратноходовой топологии, так как скважность и частота постоянно меняются в течение цикла переключения. Так, коэффициент мощности и коэффициент гармонических искажений не оптимальны при данном условии. К счастью, метод управления с заданной или постоянной длительностью импульса с однофазной обратноходовой топологией по-прежнему помогает получить высокое значение коэффициента мощности и низкое значение полного коэффициента гармонических искажений, как показано на рисунке 1. Среднее значение входного тока является приблизительно синусоидой при той же фазе входного напряжения.

Форма кривой тока в течение Ton и Toff

Рисунок 1. Форма кривой тока в течение TON и TOFF

В данном исполнении контроллер TPS92310 можно настроить на режим управления с постоянной длительностью импульса; время переключения ключа в открытое состояние также можно зафиксировать, если к выводу линии фильтра 100 Гц (COMP) подключить конденсатор большой ёмкости. Однако для снижения размера устройства данный проект не является универсальным, в нём не используется функция коррекции коэффициента мощности. Таким образом, весьма небольшой компенсационный конденсатор используется для сохранения стабилизации управляющего контура, и время переключения в открытое состояние для обратноходовой топологии является практически заданным по причине стабильного напряжения постоянного тока.

Управление по постоянному току при измерении тока на стороне первичной обмотки

Ток в первичной обмотке, ток во вторичной обмотке и напряжение Vds показаны на рисунке 2, и в соответствии с ними среднюю величину выходного тока Io можно рассчитать согласно следующей формуле (1):

Формула

где 2TDLY — полупериод «звона» на стоке МОП-транзистора, N — коэффициент трансформации трансформатора, Ip_pk — ток в первичной обмотке, Is_pk — ток во вторичной обмотке, Io — средняя величина выходного тока (ток светодиода).

 Ток и форма кривой напряжения

Рисунок 2. Ток и форма кривой напряжения Vds

Для регулирования величины выходного тока преобразователь использует контур управления с ШИМ, как показано на рисунке 3. Данный контур включает в себя управление режимами заряда и разряда. Режим заряда управляется внутренним сигналом опорного тока: IREF×время (TON+TOFF+2TDLY). Режим разряда управляется ключом TOFF и источником тока Ipk, который пропорционален пиковому значению тока на первичной обмотке. Уровень напряжения VCOMP соответствует отпиранию ключа TON.

 Блок-схема заряда и разряда

Рисунок 3. Блок-схема заряда и разряда

Во время нормальной эксплуатации, если величина разряда Q (Ipk×TOFF) больше, чем величина заряда Q(IREF×(TON+TOFF+2TDLY)), напряжение на выводе COMP уменьшается, в результате TON уменьшается в следующем цикле. В противном случае, если величина заряда Q(IREF×(TON+TOFF+2TDLY)) больше, чем величина разряда Q(Ipk×TOFF), VCOMP увеличивается, TON увеличивается в следующем цикле. Если величины зарядов Q равны, напряжение VCOMP стабильно. Так, если к выводу COMP для фильтрации 100 Гц пульсации подключён конденсатор большой ёмкости, то время включённого состояния ключа в течение половины синусоиды остаётся постоянным, и таким образом выполняется коррекция коэффициента мощности. Небольшой конденсатор, подключённый к выводу COMP, когда преобразователь работает только по обратноходовой топологии, без использования функции коррекции коэффициента мощности, служит только для поддержания устойчивости контура.

Контроллер обеспечивает обратную связь по току в первичной обмотке и стабилизацию для поддержания постоянного выходного тока светодиода. Рисунок 4 показывает блок-схему контроллера TPS92310; красная виртуальная линия представляет собой основной контур регулирования.

 Блок-схема TPS92310

Рисунок 4. Блок-схема TPS92310

Обнаружение ZCD (нуль-детектор). Задержка и выходное перенапряжение

Вывод обнаружения ZCD регистрирует нулевой ток во вспомогательной обмотке трансформатора. Когда напряжение ZCD ниже, чем уровень VZCD(TRIG), внутренний RS-триггер пропускает сигнал ZCD на блок задержки для формирования следующего цикла переключения. Двухуровневое детектирование на данном выводе (ARM/TRIG) обеспечивает включение полевого транзистора-ключа при нулевом токе во вторичной обмотке разделительного трансформатора. Рисунок 5 показывает типичную форму сигналов на выводе DRAIN (сток) полевого транзистора. Также контроллер обеспечивает паузу в 300 нс для ZCD — для защиты от возможных паразитных выбросов.

 Типовая схема переключений

Рисунок 5. Типовая схема переключений

Для снижения уровня электромагнитных и коммутационных помех в процессе работы преобразователя используется вывод DLY контроллера TPS92310. Подключением внешнего резистора можно управлять временем задержки. С помощью вывода IDLY преобразователь обеспечивает нулевой ток в обмотке трансформатора в момент включения полевого транзистора-ключа. Текущее значение задержки должно предотвращать резонанс между индуктивностью первичной обмотки разделительного трансформатора и зарядом стока полевого транзистора-ключа. TDLY можно рассчитать с помощью формулы (2):

Формула

где Lp — индуктивность первичной обмотки трансформатора, COSS — выходная ёмкость МОП-транзистора, TDLY используется для управления временем разрядки VCOMP, таким образом, эта величина задаётся внешним резистором, подключённым к выводу DLY, как показано на рисунке 6.

 Заданная кривая

Рисунок 6. Заданная кривая TDLY

Вывод ZCD также используется для защиты от перенапряжения выхода. Положительное напряжение на вспомогательной обмотке выступает в качестве выходного напряжения светодиода и фиксируется внешним делителем напряжения, как показано на рисунке 7. Перенапряжение на выводе ZCD опережает порог OVP на три цикла. Формирование выходного сигнала прекращается, выход переходит в отключённое состояние, и контроллер выполняет перезапуск. Напряжение OVP можно рассчитать с помощью следующей формулы (3):

Формула

где NS — число витков вспомогательной обмотки, Na — число витков выходной обмотки, VD — падение напряжения на выпрямителе.

Цепь подключения вывода ZCD

Рисунок 7. Цепь подключения вывода ZCD

Отрицательное напряжение на вспомогательной обмотке представляет собой отражённое входное напряжение, следовательно, при выборе RU надо учитывать мощность на резисторе. Величина тока 0,2-0,5 мА соответствует норме. Диод подключается к выводу ZCD для устранения отрицательного напряжения ниже 1 В. Небольшой конденсатор C постоянно подключается между выводами ZCD и GND для устранения возможных выбросов, обеспечивает надлежащую защиту от перенапряжения выхода, а также обеспечивает получение соответствующего времени включения.

Защита выхода от токов КЗ

Контроллер TPS92310 работает в режиме управления напряжением, и для защиты по току (OCP) и от КЗ (SCP) необходимо поцикловое ограничение. Для данной обратноходовой топологии контроллер предусматривает два режима с постоянной длительностью импульса при разных порогах OCP (0,64 и 3,4 В). Измеренное напряжение в первичной обмотке рассчитывается с помощью формулы (4):

Формула

где REF — 0,14 задаёт контроллер, VLED=12 В, VD=0,8 В, Vin_min=127 В постоянного тока, Vor=приблизительно 85 В в данном исполнении, равно N×VLED+VD), η — эффективность оценивается приблизительно в 0,8 на стороне низкого напряжения. Для данного стандартного исполнения по обратноходовой топологии Visns равняется приблизительно 0,53 В.

По причине того что напряжение Vin_min является заданным и номинальное напряжение Vor тоже практически заданным, Visns является почти константой при различных напряжениях светодиода. Данное регистрируемое напряжение ниже, чем порог OCP, таким образом, режим с постоянной длительностью импульса при пороге OCP, равном 0,64 В, можно сконфигурировать для обеспечения идеальной защиты от перенапряжения выхода. Данный режим можно использовать на всех стандартных исполнениях обратноходовой топологии. Во избежание помех от «звона» нуль-детектора ZCD в течение короткого замыкания выхода, между штырьковым разъёмом ZCD и GND во избежание ошибочных данных обнаружения ZCD должен быть подключён небольшой конденсатор; ёмкость 10 пФ является подходящей для данного исполнения. Рисунок 8 показывает форму кривой тока КЗ выхода.

Форма кривой защиты выхода от токов КЗ (SCP)

Рисунок 8. Форма кривой защиты выхода от токов КЗ (SCP)

Внешняя компенсация линейности регулировки

Характерная задержка распространения

Рисунок 9. Характерная задержка распространения

Так как контроллер обладает характерной задержкой распространения, на линиях высокого напряжения и низкого напряжения присутствуют разные пиковые значения тока, как показано на рисунке 9. Входное напряжение линии высокого напряжения создаёт гораздо большую разность токов, чем напряжение линии низкого напряжения при такой же величине задержки распространения. В соответствии с формулой 1 ошибка измерения входного тока не лучшим образом влияет на ток светодиода, а также на стабилизацию выходного напряжения по нагрузке. Существует два пути для улучшения выходного напряжения по нагрузке, когда входное напряжение на линиях высокого и низкого напряжений изменяется:

  1. Необходимо добавить цепь быстрого выключения (показана на рисунке 10). Это может уменьшить задержку включения МОП-транзистора и улучшить разброс тока, сведя его к 5 мА при 230 В переменного тока в данном исполнении.

    Цепь быстрого выключения

    Рисунок 10. Цепь быстрого выключения

  2. Необходимо добавить цепь быстрого обнаружения входного напряжения (показана на рисунке 11) для того, чтобы снизить время включения на линии высокого напряжения; это может помочь достигнуть желаемой точной величины тока на стороне высокого напряжения. Значение R17 зависит от входного напряжения — для работы в диапазоне от 110 до 230 В может потребоваться подстройка. R18, R19 и R20 определяют точку перегиба величины тока светодиода. Рисунок 12 показывает характеристику стабилизации выходного напряжения по нагрузке при внешней компенсации.

    Цепь внешней компенсации линейности

    Рисунок 11. Цепь внешней компенсации линейности



    Графики компенсации стабилизации линейности

    Рисунок 12. Графики компенсации стабилизации линейности

Расчёт трансформатора

В соответствии с предыдущим описанием, для того чтобы использовать внешнюю цепь SCP, величина Visns должна быть ниже 0,6 В.

Формула

Объединяя формулы 7, 8 и 9, получаем:

Формула

где Visns — измеренное напряжение первичной обмотки (ниже 0,6 В при использовании внешней цепи SCP, в противном случае без ограничений), RCS — резистор датчика тока, N — коэффициент трансформации, Ip — пиковое значение тока первичной обмотки, Vor — отражённое напряжение на первичной обмотке, ILED — ток светодиода, VLED — напряжение светодиода, η — оценочная эффективность источника питания, VD — прямое падение напряжения на выходном выпрямителе, Vin_min — минимальное входное напряжение постоянного тока, обычно берётся равным 1,3×Vac_min.

Спецификация трансформатора рассчитывается по следующим формулам:

Формула

где Lp — индуктивность первичной обмотки, Np — число витков первичной обмотки, NOUT — число витков выходной обмотки, Naux — число витков вспомогательной обмотки, обычно величина меньше, чем рассчитанное значение, из-за влияния бросков напряжения, DMAX — максимальная скважность, рассчитанная по формуле 2, FS_MIN — задаёт минимальную частоту переключения линии низкого напряжения, ΔBMAX — выбирает максимальную рабочую индукцию сердечника, Ae — эффективная площадь, Vaux — выбранное напряжение VCC, VD_aux — прямое падение напряжения на дополнительном выпрямителе.

В заключение можно выбрать максимальный действующий ток и пиковое значение напряжения МОП-транзистора, а также подобрать выпрямитель для вторичной обмотки в соответствии с максимальной величиной тока и конструкцией трансформатора.

Литература

  1. TPS92310 Off-Line Primary Side Sensing Controller with PFC datasheet, Texas Instruments.