Балласт для твердотельных светодиодных осветителей

Сильвестро Фимиани

Геннадий Бандура

аряду с малым энергопотреблением, свето-диоды обладают большей долговечностью, низкими затратами на эксплуатацию и
совершенно не содержат опасных химических элементов. Правительства многих стран, включая США, Китай, Японию, Тайвань,
Южную Корею, активно внедряют стратегию светодиодного освещения. На рис. 1 показан прогноз роста числа светодиодных
осветителей и, соответственно, числа балластов для них.

Активное распространение светодиодных осветителей заставляет правительства разных стран устанавливать жесткие
требования к их техническим характеристикам, чтобы гарантировать выполнение задач по уменьшению энергопотребления.
К примеру, правительство Китая подсчитало, что если перевести лишь треть существующих осветителей на светодиодные,
они сэкономят 100 млн кВт·ч и снизят выбросы CO₂ в атмосферу на 29 млн тонн.

Типовой светодиодный осветитель состоит из определенного числа светодиодов, обычно соединенных последовательно.
Мощные осветители могут состоять из нескольких параллельно соединенных цепочек светодиодов, в каждой из которых
несколько светодиодов соединены последовательно. При этом в любом случае светодиоды должны питаться от источника
постоянного тока. Остальные требования к источнику питания (ИП) включают защиту от короткого замыкания и разрыва
цепи нагрузки, перегрева, а также он должен обладать хорошей электромагнитной совместимостью. В таблице указаны
семейства микросхем Power Integrations (PI), которые более других подходят для построения светодиодных балластов.

Семейство микросхем LinkSwitch-II [1] обладает многими функциями, предназначенными для построения светодиодного
балласта на мощность до 10 Вт, 36 В, 350 мА в изолированной конфигурации, или до 15 Вт в конфигурации tapped buck.
Микросхема имеет встроенный MOSFET-транзистор на напряжение 700 В, релейную схему управления, высоковольтный источник
питания для самозапитывания, схему частотного джиттера, токовое ограничение и интеллектуальную тепловую защиту.

Как будет показано далее, на базе микросхем LinkSwitch-II есть возможность реализовать схему высокопроизводительного
светодиодного балласта при минимальных финансовых затратах. Обе схемы представляют собой CV/CC-преобразователи,
которые способны выдать в нагрузку 4,2 Вт при напряжении 12 В.

Первая схема — это изолированный обратнохо-довой преобразователь, который подходит для построения внешних балластов,
а вторая — это buck-преобразователь с малым числом компонентов, который способен уместиться в форм-факторе электрической
лампы накаливания. На рис. 2 показана схема обратноходового преобразователя. Эта схема подробно описана в документе
Power Integrations Design Idea DI-185 [2].

Таблица. Применение семейств микросхем PI для светодиодных балластов

Семейство микросхем	Типовая схема	Мощность/выходной ток	Применение
LinkSwitch-II	Flyback & Buck	до 15 Вт	Подходит для построения балластов до 15 Вт Четкие параметры CV/CC, контроль параметров с первичной стороны, соответствует всем энергетическим спецификациям
TinySwitch-III	Flyback	до 28,5 Вт	Внешний балласт Наличие функции On-time extension и строгие параметры I2f снижают габариты и стоимость входной емкости и трансформатора Защита от перенапряжения
LinkSwitch-TN	Buck	до 360 мА	Построение балластов для маломощных ламп с ограниченными габаритами Эффективная замена емкостных ИП при использовании минимума внешних компонентов
TOPSwitch-HX	Flyback	до 290 Вт	Уличные балласты Расширенный мощностной диапазон Защита от пониженного и повышенного входного напряжения Программируемое ограничение тока и функция удаленного включения и выключения

Схема работает путем коммутации постоянного напряжения, присутствующего на терминале 1 трансформатора Т1 через первичную обмотку (выводы 1–4) и через встроенный в микросхему LinkSwitch-II MOSFET-транзи-стор на 700 В. Микросхема U1 комбинирует три способа регулирования выходного напряжения и тока. Это регулировка рабочей частоты, ограничение тока, пропуск рабочих циклов. Обратная связь осуществляется через вывод FB, подключенный к обмотке смещения (выводы 2–3). При росте напряжения на вторичной обмотке (выводы 6–10) пропорционально растет и напряжение на обмотке смещения.

Каждый рабочий цикл это напряжение замеряется микросхемой U1 спустя 2,5 мкс после отключения высоковольтного источника напряжения. Благодаря этому способу
организации обратной связи не требуется оптопара, а все температурные изменения в трансформаторе компенсируются
подстройкой рабочей частоты.

При работе в режиме CV микросхема U1 устанавливает уровень выходного напряжения путем поддержания необходимого
соотношения совершенных и пропущенных рабочих циклов. Такой способ работы оптимизирует КПД преобразователя во
всем мощностном диапазоне. При малых нагрузках уровень ограничения по току снижается, что уменьшает магнитный
поток через трансформатор и, соответственно, минимизирует потери на переключение и звуковые шумы. Повышение
потребления тока более 350 мА заставляет схему перейти в режим ограничения тока (СС). Этот режим характерен
понижением рабочей частоты преобразования.

На рис. 3 показана схема buck-преобразова-теля. Этот преобразователь обеспечивает такие же CV/CC-параметры, как и
обратноходо-вой преобразователь на рис. 2, но содержит небольшое число компонентов (16). При этом габариты
преобразователя настолько малы, что он может поместиться в цоколь обычной лампы накаливания.

При включении U1 ток начинает нарастать через нагрузку и дроссель T1. Ток продолжает нарастать, пока не достигает
порога токового ограничения, установленного в U1, после этого U1 отключается. При этом энергия, запасенная в
дросселе, индуцирует ток в направлении нагрузки (выводы 7–8). Обмотка смещения (выводы 5–6), как и в предыдущей схеме,
обеспечивает обратную связь. Более подробно ознакомиться с работой схемы можно в документе Power Integrations
Design Idea DI-186 [3].

   

Несмотря на малые габариты и простоту схем, они обладают прекрасной производительностью и надежностью. На рис. 4 и 5 показано сравнение КПД при полной нагрузке в зависимости от входного напряжения.

Еще одной особенностью обеих схем является полное соответствие требованиям ЭМИ. Семейство LinkSwitch-II обладает функцией frequency jitter, что упрощает фильтр ЭМИ и снижает стоимость изделия. Трансформатор обратноходового преобразователя имеет дополнительную обмотку (E-Shield), что делает ненужным экранирование. Обе схемы соответствуют EN55015 и CISPR 22 Class B с запасом в 10 дБ.

Литература

1. LNK603-606/613-616 LinkSwitch-II Family. Energy Efficient, Accurate CV/CC Switcher for Adapters and Chargers. Power Integrations Inc.
2. DI-185 Design Idea. LinkSwitch-II. Low Component Count, Isolated 350 mA, 4,2 W LED Driver. Power Integrations Inc.
3. DI-186 Design Idea. LinkSwitch-II. High Efficiency Low Cost, Non-Isolated 350 mA, 4,2 W LED Driver. Power Integrations Inc.
4. www.powerint.com/en/applications/led-lighting