Динамическое управление запасом по напряжению в системах промышленного освещения

Обеспечение качественного теплоотвода в системах промышленного освещения является залогом длительного срока службы светодиодов. Если для питания светодиодов используются линейные драйверы, то для снижения рассеиваемой мощности собственное падение напряжения на драйверах должно быть минимальным. Этого можно добиться за счет динамического изменения выходного напряжения источника питания с учетом прямого падения на светодиодах
753
В избранное

Светодиодные приложения, начиная от промышленных осветительных приборов и заканчивая светодиодными экранами на стадионах, страдают от общей проблемы, связанной с отводом тепла. Обеспечение качественного теплоотвода в системах промышленного освещения является залогом длительного срока службы светодиодов. Если для питания светодиодов используются линейные драйверы, то для снижения рассеиваемой мощности собственное падение напряжения на драйверах должно быть минимальным. Этого можно добиться за счет динамического изменения выходного напряжения источника питания с учетом прямого падения на светодиодах. Такой метод называется динамическим управлением запасом по напряжению (DHC, dynamic headroom control).

Драйверы RGB-светодиодов

Рис. 1. Драйверы RGB-светодиодов

Если ток через светодиод постоянен, то и падение напряжения на нем останется без изменений в широком диапазоне температур. Для нормальной работы линейного стабилизатора также необходимо некоторое падение напряжения, как правило, не менее 0,5 В. С другой стороны, падение на регуляторе должно быть как можно меньше, чтобы гарантировать низкий уровень рассеиваемой мощности.

В любом случае при расчете необходимо учитывать изменение прямого падения напряжения при изменении всех возможных параметров (тока, температуры и т. д.). Например, для зеленого светодиода напряжение лежит в диапазоне от 2,7 В до 3,4 В при токе 10 мА. Таким образом, минимальное входное напряжение питания составляет 3,4 В + 0,5 В = 3,9 В. В реальной схеме следует использовать более высокое значение, чтобы избежать проблем с разбросом параметров, в частности опорного напряжения преобразователя и номиналов задающих резисторов.

Мощность, рассеиваемая на одном светодиоде, составляет около 12 мВт. Столь малое значение в большинстве случаев не вызывает опасений. Но существует огромное количество приложений, в которых одновременно используются множество светодиодов с более высоким током питания.

В качестве примера рассмотрим работу драйвера RGB-светодиодов TLC5971 с одним регулятором напряжения. Синий светодиод имеет самое высокое прямое падение напряжения 3,8 В. Таким образом, напряжение питания по описанным выше причинам должно быть более 4,3 В. Не стоит также забывать и об увеличении собственного падения напряжения на преобразователе при росте тока. Драйвер имеет четыре RGB-канала, поэтому рассеиваемая на нем мощность может быть рассчитана как:

4 × ((4,2-3) + (4,2 - 2,7) + (4,2 - 2,1)) × 0,01 = 192 мВт.

Если увеличить ток до 20 мА и использовать только один регулятор 5 В для всех цветов, рассеиваемая мощность окажется еще выше.

Как уменьшить потери мощности?

Один из способов уменьшения рассеиваемой мощности заключается в использовании отдельного преобразователя для каждого цвета, или, по крайней мере, двух преобразователей – одного для красных светодиодов, а другого для зеленых и синих. Дело в том, что напряжения для синих и зеленых светодиодов достаточно близки между собой, в то время как для красных светодиодов напряжение оказывается гораздо ниже (рис. 2).

Прямое падение напряжения для различных светодиодов

Рис. 2. Прямое падение напряжения для различных светодиодов

Значительного уменьшения рассеиваемой мощности можно добиться за счет регулирования напряжения каждого преобразователя. При этом самый простой способ заключается во введении обратной связи по напряжению. Для этого подойдет как готовый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), так и ЦАП «собственного изготовления», построенный с помощью ШИМ и фильтра низких частот. На рис. 3 показана схема управляемого регулятора напряжения. Источник VG1 (справа) имитирует ШИМ-сигнал, формируемый микроконтроллером. Этот сигнал проходит фильтр нижних частот (R4-C7-R2-C8-R3) и поступает в цепь обратной связи.

Моделирование схемы, использующей ШИМ-сигнал для управления регулятором напряжения

Рис. 3. Моделирование схемы, использующей ШИМ-сигнал для управления регулятором напряжения

Микроконтроллер измеряет реальное падение напряжения на драйвере и устанавливает соответствующий коэффициент заполнения ШИМ для задания выходного напряжения преобразователя. Предложенная схема ЦАП не обязательно должна быть быстродействующей или очень точной, так как это не даст никаких преимуществ, и даже наоборот приведет к дополнительным потерям. В схеме, показанной на рис. 2, ШИМ имеет фиксированную частоту 20 кГц. Процесс нарастания коэффициента заполнения от 0 % до 100 занимает 1 секунду.

Моделирование полной схемы может потребовать много времени. Чтобы ускорить это процесс, следует моделировать схему по частям. Зависимость выходного напряжения ЦАП от коэффициента заполнения ШИМ должна выглядеть так, как показано на рис. 4.

Зависимость выходного напряжения ЦАП от коэффициента заполнения ШИМ

Рис.4. Зависимость выходного напряжения ЦАП от коэффициента заполнения ШИМ

Изменяя напряжение в цепи обратной связи, можно управлять выходным напряжением питания. Если на выходе ЦАП присутствует 0 В, то выходное напряжение регулятора имеет максимальное значение. На рис. 5 показана зависимость выходного напряжения преобразователя от напряжения ЦАП.

Результаты моделирования

Рис. 5. Результаты моделирования

Влияние динамического управления запасом напряжения (DHC) на общее потребление

Компания Texas Instruments реализовала динамическое управление запасом напряжения в референсной схеме TIDA-01437 (RGB Signal Light with IO-Link Interface Reference Design). В ней присутсвует 20 RGB-светодиодов и пять драйверов TLC5971. Как показано на рис. 5, при использовании фиксированного напряжения питания 4,5 В и тока светодиодов 20 мА система потребляет 6,5 Вт. При использовании схемы динамического управления запасом потребление падает до 4,5 Вт.

Сравнение рассеиваемой мощности при использовании динамического управления запасом и без него

Рис. 6. Сравнение рассеиваемой мощности при использовании динамического управления запасом и без него

Технология динамического управления запасом позволяет управлять выходным напряжением регуляторов напряжения. Тем самым она обеспечивает значительное уменьшение рассеиваемой мощности и сокращение уровня потребления.

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TLC5971PWPR
TLC5971PWPR
Texas Instruments
Арт.: 600672 PDF AN RD
Доступно: 619 шт.
Выбрать
условия
поставки
12-Channel, 16-Bit ES-PWM RGB LED Driver with 3.3V Linear Regulator 20-HTSSOP -40 to 85
TLC5971PWPR от 5 шт. от 334,29
619 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLC5971PWP
TLC5971PWP
Texas Instruments
Арт.: 791321 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 294 шт.
Выбрать
условия
поставки
12-Channel, 16-Bit ES-PWM RGB LED Driver with 3.3V Linear Regulator 20-HTSSOP -40 to 85
TLC5971PWP от 703,84
294 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLC5971RGER
TLC5971RGER
Texas Instruments
Арт.: 791322 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 357 шт.
Выбрать
условия
поставки
12-Channel, 16-Bit ES-PWM RGB LED Driver with 3.3V Linear Regulator 24-VQFN -40 to 85
TLC5971RGER от 11 шт. от 579,08
357 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLC5971RGET
TLC5971RGET
Texas Instruments
Арт.: 791323 PDF AN RD
Доступно: 1368 шт.
Выбрать
условия
поставки
12-Channel, 16-Bit ES-PWM RGB LED Driver with 3.3V Linear Regulator 24-VQFN -40 to 85
TLC5971RGET от 250 шт. от 151,30
1368 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLC59711PWP
TLC59711PWP
Texas Instruments
Арт.: 994044 PDF AN RD
Доступно: 295 шт.
Выбрать
условия
поставки
12-Channel, 16-Bit, ES-PWM RGB LED Driver with 3.3V Linear Regulator and Watchdog Timer 20-HTSSOP -40 to 85
TLC59711PWP от 10 шт. от 701,68
295 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLC59711PWPR
TLC59711PWPR
Texas Instruments
Арт.: 994045 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1505 шт.
Выбрать
условия
поставки
12-Channel, 16-Bit, ES-PWM RGB LED Driver with 3.3V Linear Regulator and Watchdog Timer 20-HTSSOP -40 to 85
TLC59711PWPR от 2000 шт. от 137,59
1505 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()