Импульсные источники питания VIPer от STMicroelectronics. VIPer – новое слово в проектировании импульсных источников питания Блок питания на микросхеме viper22a
Описание
Микросхемы предназначены для построения гальванически развязанных преобразователей с обратной связью (flyback converters) с постоянным Uвх от 35 до 400 В (переменным Uвх от 85 до 300 В), Uвых от 2,5 до 150 В и токами до 30 А. Режим токовой стабилизации и управляемого ограничения по току, функции авторестарта и мягкого старта, защита от перенапряжений и перегрузки, возможность внешней синхронизации и управления отключением - позволяют проектировать компактные и высоконадежные ИП с КПД до 90%. В табл. 1 предоставлены основные характеристики микросхем VIPer от STMicroelectronics.
Табл. 1. Основные характеристики микросхем VIPer от STMicroelectronics
| Тип | Uси max, В | Rси, Ом | Iс max, А | Pmax, Вт | Fsw. КГц | Типы корпусов |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VIPer20 | 620 | 16 | 0,5 | 20 | до 200 | |
| VIPer20A | 700 | 18 | 0,5 | 20 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer20B | 400 | 8,7 | 1,3 | 20 | до 200 | |
| VIPer50 | 620 | 5 | 1,5 | 50 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer50A | 700 | 5,7 | 1,5 | 50 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer50B | 400 | 2,2 | 3 | 50 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer100 | 620 | 2,5 | 3 | 100 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer100A | 700 | 2,8 | 3 | 100 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer100B | 400 | 1,1 | 6 | 100 | до 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer12A | 730 | 30 | 0,36 | 15 | 50 | DIP-8, SO-8 |
| VIPer22A* | 730 | 17 | 0,63 | 25 | 50 | DIP-8, SO-8 |
| VIPer30ALL* | 650 | 12 | 0,9 | 25_45 | до 300 | Pentawatt HV (022Y), DIP-8, PowerSO-10, TO-220FP-5L, SO-8 |
| VIPer50ALL* | 650 | 5,4 | 2 | 40_70 | до 300 | Pentawatt HV (022Y), PowerSO-10, DIP-8, TO-220FP-5L |
| * — разрабатываемые | ||||||
Рис. 1. Блок-схема ШИМ-контроллеров семейства VIPer
Рис. 2. Схемотехническое построение источника питания на базе VIPer100
Основные особенности
Регулируемая частота переключения - от 0 до 200 кГц; Преимущества
Как и в аналогичных микросхемах семейства TOPSwitch производства фирмы Power Integrations, в микросхемах семейства VIPer применяется режим регулирования по току. Используется две петли обратной связи - внутренняя петля контроля по току и внешняя петля контроля по напряжению. Когда МОП-транзистор открыт, значение тока первичной обмотки трансформатора отслеживается датчиком SenseFET и преобразуется в напряжение, пропорциональное току. Когда это напряжение достигает величины, равной Vcomp (напряжение на выводе COMP - выходное напряжение усилителя ошибки), транзистор закрывается. Таким образом, внешняя петля регулирования по напряжению определяется величиной, при которой внутренняя токовая петля выключает высоковольтный ключ
. режим токовой регуляции;
. мягкий старт;
. потребление от сети переменного тока менее 1 Вт в дежурном режиме;
. выключение при понижении напряжения питания в случае короткого замыкания (КЗ) или перегрузки по току;
. интегрированная в микросхему цепь запуска;
. автоматический перезапуск;
. защита от перегрева;
. регулируемое ограничение по току.
Режим токового регулирования гарантирует хорошее ограничение в случае КЗ. В этом случае происходит понижение напряжения обмотки обратной связи, и таким образом Vdd (напряжение на выводе VDD) достигает уровня 8 В. При этом срабатывает защита от понижения напряжения питания UVLO, и транзистор закрывается. Включается высоковольтный запускающий источник тока, который заряжает внешний конденсатор С4 (рис. 2) до уровня 11 В (соответственно, от ёмкости С4 будет зависеть время перезапуска), при котором происходит попытка включения источника питания в рабочий режим.
При желании внутренне ограниченный пиковый ток можно уменьшить, ограничивая напряжение на выводе Vcomp, что удобно для дистанционного выключения всего источника питания по внешнему сигналу.
Важным преимуществом семейства VIPer является чрезвычайно широкий диапазон рабочего цикла - от 0 до 90 %. Известно, что микросхемы Power Integrations семейства TOPSwitch требуют небольшую балластную нагрузку при работе в режиме холостого хода, чтобы источник питания не вышел за пределы регулирования.
У VIPer этот недостаток отсутствует. Находясь в режиме холостого хода, они переходят в режим отдельных импульсов тока, позволяющий осуществить регулирование по вторичной обмотке. При этом напряжение на вспомогательной обмотке превышает 13 В и переводит усилитель ошибки в состояние логического нуля. Транзистор выключается, и источник питания работает практически с нулевым рабочим циклом. Когда Vdd достигает порога включения, устройство вновь включается на короткое время. Эти циклы повторяются с пропуском периодов переключения, и эквивалентная рабочая частота в таком режиме намного меньше, чем в нормальном режиме, что приводит к значительному уменьшению потребления энергии от сети переменного тока. Дежурный режим работы соответствует немецкому стандарту Blue Angel (потребление энергии меньше 1 Вт для систем в режиме Stand-by).
Ещё одним важным преимуществом VIPer является регулируемая частота преобразования до 200 кГц с помощью внешней RC-цепочки. Тактовая частота 200 кГц позволяет уменьшить габариты трансформатора и выходного сглаживающего LC-фильтра, а значит и всего источника питания в целом. Также вывод OSC позволяет осуществить синхронизацию источника питания от внешнего источника сигнала.
Нельзя не отметить и улучшенные тепловые характеристики микросхем семейства VIPer, по сравнению с семейством TOPSwitch Power Integrations. Тепловое сопротивление RJA VIPer корпуса Pentawatt достигает 60ºC/Вт, а корпуса PowerSO-10 - 50ºC/Вт. При этом корпус PowerSO-10 очень удобен при применении технологии поверхностного монтажа и может быть установлен на контактную медную площадку на поверхности печатной платы широкой подложкой, соединённой со стоком мощного транзистора.
Последними разработками являются новые микросхемы семейства VIPer. Это VIPer20AII, VIPer50AII с частотой переключения до 300 кГц, а также VIPer12А с фиксированной частотой переключения 50 кГц и максимальной выходной мощностью 12 Вт в корпусах DIP-8 и SO-8. Интересно сравнить технические характеристики двух похожих семейств высоковольтных ШИМ-контроллеров TOPSwitch фирмы Power Integrations и VIPer фирмы STMicroelectronics (табл. 2).
Табл. 2. Сравнительные характеристики VIPer и TOPSwitch
Виктор Петрович Олейник,
технический специалист СЭА - Электроникс,
В недавнем прошлом многие компании-производители стали отказываться от трансформаторных блоков питания вследствие их немалой массы и значительных габаритных размеров. Представьте себе трансформаторный блок питания с выходной мощностью 100-150 Вт, выполненный даже на ториодальном магнитопроводе. Масса такого блока питания будет составлять примерно 5-7 кг, а о его габаритах даже нечего и говорить. С появлением всевозможных микросхем ШИМ-контроллеров и высоковольтных мощных MOSFET-транзисторов на смену трансформаторным источникам питания пришли импульсные, следовательно, габаритные размеры и масса блоков питания уменьшились в несколько раз. Импульсные блоки питания не уступают трансформаторным по мощности, более того, они гораздо эффективнее. КПД современных импульсных блоков питания достигает 95%. Однако у таких блоков питания есть свои недостатки:
2. Cложность настройки из-за подбора пассивных компонентов в обвязке ШИМ-контроллера, в цепи защиты и т.д.
Эти недостатки также создают неудобства при проведении диагностики неисправностей и при их устранении.
Основные узлы классической схемы импульсного обратноходового блока питания состоят из следующих блоков.
1. Входная цепь (включает в себя сетевой фильтр, диодный мост и фильтрующие конденсаторы).
2. ШИМ-контроллер.
3. Схемы защиты (по перенапряжению, по превышению температуры, и т.д.)
4. Схемы стабилизации выходного напряжения.
5. Мощный выходной MOSFET-транзистор.
6. Выходная цепь, состоящая из диодного моста и фильтрующих конденсаторов.
Как видно, количество активных компонентов, входящих в состав импульсного блока питания, доходит до нескольких десятков, что увеличивает габаритные размеры устройства и, как следствие, создает ряд проблем при проектировании и отладке.
Компания STMicroelectronics, проанализировав трудности, возникающие при проектировании импульсных источников питания, разработала уникальную серию микросхем, объединив на одном кристалле ШИМ-контроллер, цепи защиты и мощный выходной MOSFET-транзистор. Серия приборов была названа VIPer.
Название VIPer произошло от технологии изготовления самого MOSFET-транзистора, а именно, Vertical Power MOSFET.
Функциональная схема одного из приборов семейства VIPer представлена на рисунке 1.
Рис. 1.
Основные особенности:
- регулируемая частота переключения от 0 до 200 кГц;
- режим токовой регуляции;
- мягкий старт;
- потребление от сети переменного тока менее 1 Вт в дежурном режиме;
- выключение при понижении напряжения питания в случае короткого замыкания (КЗ) или перегрузки по току;
- интегрированная в микросхему цепь запуска;
- автоматический перезапуск;
- защита от перегрева;
- регулируемое ограничение по току.
Пример принципиальной схемы стандартного включения одного из представителей семейства VIPer представлен на рисунке 2.
Как и в аналогичных микросхемах для построения импульсных источников питания производства таких фирм как Power Integrations и Fairchild, в микросхемах семейства VIPer применяется режим регулирования по току. Используются две петли обратной связи — внутренняя петля контроля по току и внешняя петля контроля по напряжению. Когда МОП-транзистор открыт, значение тока первичной обмотки трансформатора отслеживается датчиком SenseFET и преобразуется в напряжение, пропорциональное току. Когда это напряжение достигает величины, равной Vcomp (напряжение на выводе COMP (см. рис. 1) — выходное напряжение усилителя ошибки), транзистор закрывается. Таким образом, внешняя петля регулирования по напряжению определяется величиной, при которой внутренняя токовая петля выключает высоковольтный ключ. Немаловажно отметить еще одну особенность микросхем VIPer, которая ставит их на уровень выше конкурентов. Это возможность работать на частотах достигающих 300 кГц. Она позволяет добиться еще большего КПД и использовать трансформаторы с меньшими габаритными размерами, что ведет к миниатюризации источника питания с сохранением расчетной выходной мощности.
Рис. 2.
Семейство VIPer имеет широкую номенклатурную линейку приборов, позволяющих легко выбрать микросхему, удовлетворяющую заданные технические условия. Доступные на данный момент приборы, включая новинки, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Сводная таблица приборов семейства VIPer
| Наименование | U си, В | U cc max, В | R си, Ом | I с min, А | F sw , кГц | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VIPer12AS | 730 | 38 | 30 | 0,32 | 60 | SO-8 |
| VIPer12ADIP | 730 | 38 | 30 | 0,32 | 60 | DIP-8 |
| VIPer22AS | 730 | 38 | 30 | 0,56 | 60 | SO-8 |
| VIPer22ADIP | 730 | 38 | 30 | 0,56 | 60 | DIP-8 |
| VIPer20 | 620 | 15 | 16 | 0,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20(022Y) | 620 | 15 | 16 | 0,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20DIP | 620 | 15 | 16 | 0,5 | до 200 | DIP-8 |
| VIPer20A | 700 | 15 | 18 | 0,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20A(022Y) | 700 | 15 | 18 | 0,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20ADIP | 700 | 15 | 18 | 0,5 | до 200 | DIP-8 |
| VIPer20ASP | 700 | 15 | 18 | 0,5 | до 200 | PowerSO-10 |
| VIPer50 | 620 | 15 | 5 | 1,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50(022Y) | 620 | 15 | 5 | 1,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50A | 700 | 15 | 5,7 | 1,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50A(022Y) | 700 | 15 | 5,7 | 1,5 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50ASP | 700 | 15 | 5,7 | 1,5 | до 200 | PowerSO-10 |
| VIPer53DIP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | до 300 | DIP-8 |
| VIPer53SP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | до 300 | PowerSO-10 |
| VIPer53EDIP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | до 300 | DIP-8 |
| VIPer53ESP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | до 300 | PowerSO-10 |
| VIPer100 | 700 | 15 | 2,5 | 3 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100(022Y) | 700 | 15 | 2,5 | 3 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100A | 700 | 15 | 2,8 | 3 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100A(022Y) | 700 | 15 | 2,8 | 3 | до 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100ASP | 700 | 15 | 2,8 | 3 | до 200 | PowerSO-10 |
Микросхемы VIPer доступны в различных корпусных исполнениях, представленных на рисунке 3.
Рис. 3.
Корпусное исполнение PowerSO-10 является разработкой компании ST Microelectronics. Этот корпус предназначен для поверхностного монтажа на контактную медную площадку на поверхности печатной платы, соединенную со стоком мощного транзистора.
В таблице 2 представлены рекомендации от STMicroelectronics по замене аналогичных приборов других производителей на приборы семейства VIPer. Данная таблица была составлена по материалам, предоставленным STMicroelectronics. Приборы VIPer, указанные в таблице, не являются pin-to-pin аналогами приборов других производителей. Данные были составлены, исходя из близких параметрических особенностей.
 |
||
| LNK562P | — | VIPER12ADIP |
| LNK562G | — | VIPER12AS |
| LNK563P | — | VIPER12ADIP |
| LNK564P | — | VIPER12ADIP |
| LNK564G | — | VIPER12AS |
| TNY274G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY275P | — | VIPER12ADIP VIPER22ADIP |
| TNY275G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY276P | — | VIPER12ADIP VIPER22ADIP |
| TNY276G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY277P | — | VIPER12ADIP VIPER22ADIP |
| TNY277G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY278P | — | VIPER22ADIP VIPER53EDIP |
| TNY278G | — | VIPER22AS VIPER53ESP |
| TNY279P | — | VIPER22ADIP VIPER53EDIP |
| TNY279G | — | VIPER22AS VIPER53ESP |
| TNY280P | — | VIPER22ADIP VIPER53EDIP |
| TNY280G | — | VIPER22AS VIPER53ESP |
| TOP232P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TOP232G | — | VIPer22AS VIPer20ADIP |
| TNY264P | FSD210B FSQ510 FSQ510H |
VIPer12ADIP |
| TNY264G | — | VIPer12AS |
| TNY266P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY266G | FSDM311L | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY267P | FSDH0170RNB FSDL0165RN FSQ0165RN FSQ0170RNA |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY267G | FSDL0165RL | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY268P | FSDH0265RN FSDH0270RNB FSDM0265RNB FSQ0265RN FSQ0270RNA |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY268G | — | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY253P | — | VIPer12ADIP |
| TNY253G | — | VIPer12AS |
| TNY254P | — | VIPer12ADIP |
| TNY254G | — | VIPer12AS |
| TNY255P | — | VIPer12ADIP |
| TNY255G | — | VIPer12AS |
| TNY256P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY256G | — | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY256Y | — | VIPer20A |
| TOP221P | — | VIPer12ADIP |
| TOP221G | — | VIPer12AS |
| TOP221Y | — | VIPer12ADIP |
| TOP222P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TOP222G | — | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TOP222Y | — | VIPer20A |
| TOP223P | FSDL0165RN FSQ0165RN |
VIPer50A |
| TOP223G | — | VIPer50ASP |
| TOP223Y | — | VIPer50A |
| TOP224P | FSDH0265RN FSQ0265RN |
VIPer50A |
| TOP224G | — | VIPer50ASP |
| TOP224Y | KA5H0280RYDTU KA5M0280RYDTU |
VIPer50A |
| TOP226Y | KA5H0365RYDTU KA5H0380RYDTU KA5L0365RYDTU KA5L0380RYDTU KA5M0365RYDTU KA5M0380RYDTU |
VIPer100A |
| TOP227Y | — | VIPer100A |
| TOP209P | FSDM0565RBWDTU | VIPer12ADIP |
| TOP209G | — | VIPer12AS |
| TOP210PFI | — | VIPer12ADIP |
| TOP210G | — | VIPer12AS |
| TOP200YAI | — | VIPer22ADIP VIPer20A |
| TOP201YAI | — | VIPer50A |
| TOP202YAI | — | VIPer50A |
| TOP203YAI | — | VIPer100A |
| TOP214YAI | — | VIPer100A |
| TOP204YAI | — | VIPer100A |
Рис. 4.
В заключение хочется отметить, что компания STMicroelectronics предоставляет разработчикам пакет бесплатного программного обеспечения для расчета параметров источника питания, построенного на основе микросхем семейства VIPer.
Пакет VIPer Design Software имеет доступный и понятный интерфейс, позволяющий задать любой из необходимых параметров и получить готовую схему с перечнем используемых компонентов, графиками и осциллограммами процессов.
По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. Е-mail:
EEPROM в новом миниатюрном корпусе
В марте 2007 г. компания STMicroelectronics объявила о выпуске привычных всем микросхем EEPROM (емкостью от 2 до 64 кБит; с SPI или I 2 C-интерфейсом) в миниатюрном 2х3 мм MLP8 (ML — Micro Leadframe) исполнении. По своим рабочим характеристикам новая разработка сравнима со своей предшественницей, микросхемой размером 4×5 мм, (в корпусе S08N), однако позволяет значительно сэкономить место на печатной плате, равно как и снизить стоимость конечного устройства.
STMicroelectronics — первая компания, которая представила на рынок полную линейку серии EEPROM в столь малом корпусе. Супертонкий корпус (всего 0,6 мм) с плоскими выводами, расположенными c двух сторон, число циклов памяти до 1 миллиона (!), способность сохранять необходимые данные более 40 лет — все это делает микросхему достойным представителем своего семейства.
Новая разработка предназначена для применений в широких областях современной микроэлектроники: цифровые фото- и видеокамеры, миниатюрные MP3-плееры, разнообразные пульты, игровые приставки, беспроводные устройства, Wi-Fi-системы.
Выпуск новой микросхемы намечен на вторую половину 2007 года, но образцы можно заказывать уже сейчас.
Реализация многих функций современных бытовых приборов в значительной степени основана на использовании микроконтроллеров и дополнительных схем. Хотя обеспечить изоляцию от сети переменного тока могут обычные трансформаторы с железным сердечником, низковольтное питание микропроцессоров, выходные сигналы которых управляют связанными с сетью силовыми ключами, требуют еще одного уровня электрической изоляции, такой как оптроны или импульсные трансформаторы.
Разработчики могут избежать сложностей и затрат, связанных с добавлением дополнительных компонентов изоляции от неизолированной линии сети переменного тока. Но если получение с помощью автономного импульсного источника питания одного низкого напряжения не вызывает никаких трудностей, получение нескольких напряжений представляет определенную проблему и требует относительно сложной конструкции.
В качестве альтернативы вы можете использовать однокристальный контроллер импульсного преобразователя, такой, например, как , выпускаемый (IC 1 на Рисунке 1), с помощью которого из напряжения сети переменного тока от 88 В до 265 В можно получить два стабилизированных напряжения суммарной мощностью до 3.3 Вт. При указанных на рисунке номиналах компонентов схема обеспечивает нагрузку напряжениями -5 В ±5% при токе до 300 мА и -12 В ±10% при токе до 150 мА.
В состав Viper22A входят тактовый генератор 60 кГц, источник опорного напряжения, цепь защиты от перегрева и высоковольтный силовой MOSFET, способный рассеивать мощность в несколько ватт. Хотя микросхема Viper22A выпускается в 8-выводном корпусе, для ее работы требуются всего четыре контакта: вход напряжения питания V DD , вход обратной связи FB, а также выводы истока и стока MOSFET. Остальные выводы - вход резервного питания и дополнительные контакты стока - служат для улучшения отвода тепла в печатную плату.
Резистор R 4 ограничивает броски входного тока и одновременно выполняет функцию защитного предохранителя. Диодом D 1 переменное напряжение сети выпрямляется до эффективного значения порядка 160 В и сглаживается фильтром на элементах C 1 , R 1 , L 1 , и C 2 . Помимо сглаживания пульсаций постоянного тока, фильтр снижает электромагнитные помехи до уровня, соответствующего требованиям европейского стандарта 55014 CISPR14. Дополнительное снижение кондуктивных излучений обеспечивает демпфирующий конденсатор C 9 , включенный параллельно диоду D 1 .
Конденсатор C 3 накапливает положительный заряд в течение времени, когда MOSFET закрыт, и отдает его для питания микросхемы IC 1 напряжением V DD , когда MOSFET открыт. Обратное напряжение диода D 3 может достигать суммы пикового выпрямленного напряжения сети и максимального выходного постоянного напряжения, поэтому в качестве D 3 следует выбирать диод с быстрым восстановлением, рассчитанный на пиковое обратное напряжение 600 В.
Для обратной связи, замыкающей контур регулирования, используется напряжение V OUT2 . Сумма напряжения база-эмиттер PNP транзистора общего назначения Q 1 и обратного напряжения стабилитрона D 6 устанавливает напряжение V OUT2 равным -5 В. Стабилитрон D 7 сдвигает напряжение на входе обратной связи микросхемы IC 1 в ее линейный диапазон 0…1 В. Для исключения высокочастотной генерации в цепи обратной связи проводники, идущие к конденсатору C 4 , необходимо сделать как можно более короткими. Две обмотки катушки L2 намотаны на гантельном ферритовом сердечнике TDK SRW0913; соотношение витков обмотки определяет выходное напряжение V OUT1 . Для поддержания стабилизации при отсутствии нагрузки на выходе V OUT1 и полной нагрузке на V OUT2 между V OUT1 и общей линией заземления включен дополнительный резистор R 5 .
В последнее время лампы накаливания, имеющие весьма ограниченный ресурс около 1000 часов, и газоразрядные осветительные лампы с ресурсом примерно 20 000 часов энергично вытесняются светодиодными аналогами, способными функционировать без замены гораздо дольше – 100 000 часов. Они имеют наивысший среди искусственных источников света КПД преобразования электрической энергии в световую, что вынуждает правительства многих стран, в том числе и России, энергичнее внедрять энергосберегающие технологии в светотехнике. Этому также способствует неуклонное снижение стоимости сверхъярких светодиодов из-за конкуренции их мировых производителей.
К сожалению, в большинстве бытовых светодиодных ламп использованы простейшие сетевые блоки питания с балластным конденсатором. И это несмотря на то, что общеизвестные недостатки последних (бросок тока при включении, узкий интервал сетевого напряжения, соответствующий допустимым пределам тока через светодиоды, а также возможность повреждения при обрывах в нагрузке) приводят к преждевременному выходу светильников из строя. Это значит, что подобное схемотехническое решение в принципе не может обеспечить эффективную долговременную работу светодиодных источников света с предполагаемым ресурсом в 100 000 часов.
Предлагаемая конструкция простого малогабаритного сетевого ИИП для светодиодной лампы (рис. 1) свободна от таких недостатков и, несмотря на высокую надежность эксплуатации, очень дешева (примерно 50 руб без светодиодов). Использование средств автоматизированного проектирования данного устройства предоставляет возможность радиолюбителю самостоятельно гибко варьировать номенклатуру и число подключаемых светодиодов.
Работа подобного импульсного понижающего стабилизатора напряжения и физические принципы его функционирования описаны в (рис.1,в и рис. 2,6).
Поэтому более подробно рассмотрим последовательность проектирования сетевого преобразователя для питания 17 ультраярких светодиодов, используемых в описываемом устройстве (рис. 1). Среди них EL1- EL8 – стандартные 5-миллиметровые светодиоды LC503TWN1-15G и EL9-EL11 – чип-све-тодиоды ARL-5060WYC по 3 шт. в прямоугольном корпусе PLCC6 размерами 5×5 мм с допустимым прямым током до 40 мА и прямым падением напряжения примерно 3,2 В на каждом диоде. Такой выбор светодиодов в экземпляре автора обусловлен необходимостью освещения компьютерной клавиатуры. Первые светодиоды обладают малым углом излучения – 15° по уровню половинной мощности, вторые – большим – 120°. В результате в суммарном световом пятне будут отсутствовать резкие границы, причем освещенность в центре больше, чем на периферии. Цветовой оттенок такого источника света – средний между холодным и теплым белым, что обусловлено параметрами использованных светодиодов.
Из конструктивных соображений однотипные светодиоды соединены последовательно, при этом получены показанные на рис. 1 две цепи (из 8 и 9 светодиодов соответственно), которые соединены параллельно через токо-ограничивающие резисторы R2 и R3 Выходное напряжение преобразователя для обеих цепей выбрано 32 В при токе нагрузки 40 мА.
Для проектирования преобразователя использована программа Non-Isolated VIPer Design Software v.2.3 (NIVDS), о которой рассказано в статье . Интервал напряжения сети оставлен выбранный программой по умолчанию 88…264 В. Использован ШИ контроллер – микросхема VIPer22A с частотой преобразования 60 кГц, режим преобразования прерывистый (DCM – Discontinuous Current Mode), выходное напряжение – 32 В при токе 40 мА. Индуктивность накопительного дросселя L1, рассчитанная программой, составила 2,2 мГн. Другие параметры преобразователя: КПД – 74 %, максимальная амплитуда тока коммутирующего транзистора микросхемы DA1 – 169 мА, ее максимальная температура – 47 °С, эффективное значение потребляемого тока – 17 мА при максимальном сетевом напряжении 264 В.
Дроссель L1 – доработанный высокочастотный ДМ-0,1 500 мкГн. Для увеличения его индуктивности до 2,2 мГн к имеющейся обмотке добавляют, не изменяя направление намотки, 2 слоя по 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,12 мм. Изоляцию между добавляемыми слоями, а также общее покрытие дросселя выполняют клейкой лентой (скотчем). Отгибание выводов дросселя для монтажа на печатной плате производят не ближе 5 мм от ферритового корпуса, иначе заводские выводы обмотки будут повреждены. Вместо доработанного дросселя ДМ-0,1 можно применить катушки индуктивности КИГ-0,2-2200 или SDR1006-2200.
Чертеж печатной платы преобразователя, выполненной из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1,2 мм, показан на рис. 2, а ее внешний вид – на рис. 3. Конденсатор С1 впаивают с зазором 7…8 мм до платы, так как его надо наклонить к центру платы, чтобы он разместился в примененном цоколе от сгоревшей энергосберегающей лампы.
В преобразователе могут быть использованы импортные оксидные конденсаторы с предельной рабочей температурой 105 °С. Конденсаторы С2 и С5 – пленочные или керамические с номинальным напряжением не менее 50 В. Плавкая перемычка FU1 – проволока от предохранителя с номинальным током 1 А. Прорезь защищает плату при перегорании FU1. Но прорезь не нужна, если перемычку заменить плавкой вставкой в керамическом корпусе (из серий ВП1-1, ВП1-2) или предохранительным резистором Р1-25 (или аналогичным импортным сопротивлением 8… 10 Ом). В случае использования предохранительного резистора сопротивление резистора R1 уменьшают до 10…12 Ом.
Светодиодная нагрузка R2R3EL1 – EL11 смонтирована на другой печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5… 1 мм (рис. 4). Участок фольги многоугольной формы в центре платы предназначен для отвода тепла от светодиодов поверхностного монтажа EL9-EL11. Токоограничивающие резисторы R2 и R3 – РН1-12 типоразмера 1206. Две платы соединяют между собой пайкой в соответствующих контактных площадках трех отрезков медного провода диаметром 0,7 мм и длиной примерно 7 мм, на которые в качестве ограничительных букс надеты отрезки пустотелых пластиковых стержней от шариковых ручек. Два провода подают питание на плату со свето-диодами, а третий обеспечивает необходимую жесткость конструкции. При соединении смежными являются стороны, свободные от элементов на обеих платах. В отверстия контактных площадок, отмеченных звездочками, вставляют и с двух сторон пропаивают короткие отрезки провода. Вначале с помощью ЛАТР желательно убедиться в стабильности выходного напряжения 32 В во всем интервале изменения сетевого напряжения (88…264 В), при этом вместо светодиодов подключают резисторы общим сопротивлением 800 Ом Затем свето-диоды устанавливают на место, а вместо постоянных токоограничивающих резисторов R2 и R3 временно спаивают подстроечные сопротивлением 150 Ом При измерениях следует остерегаться электрического удара током, поскольку все элементы устройства гальванически связаны с питающей электросетью. Все изменения выполняют только в отключенном состоянии. Подстроечные резисторы регулируют диэлектрической отверткой. Ток через каждую цепь светодиодов контролируют миллиамперметром Хотя использованные светодиоды допускают прямой ток до 40 мА с соответствующим увеличением яркости свечения, в целях достижения заявленной долговечности светодиодов подстройкой резисторов ток устанавливают равным 20 мА. Примерно через 5 мин после включения стабилизируется тепловой режим светодиодов, поэтому необходима дополнительная подстройка тока. При наличии одного миллиамперметра ток в каждой светодиодной цепи регулируют по очереди. В завершение подстроечные резисторы заменяют постоянными найденного сопротивления.
С помощью инструмента Waveforms программа NIVDS позволяет смоделировать режимы ШИ контроллера. На рис. 5 показана диаграмма импульсного тока в контроллере при сетевом напряжении 220 В, практически совпавшая с результатами контрольных измерений. Интервал О…1,5мкс соответствует открытому состоянию коммутирующего транзистора микросхемы DA1 (прямой ход преобразователя). Синим цветом показан график тока в накопительном дросселе во время обратного хода преобразователя. Интервал 1,5… 13 мкс соответствует этапу передачи в нагрузку энергии, накопленной дросселем во время прямого хода. Интервал 13…16,6 мкс – так называемая бестоковая пауза б работе преобразователя, когда возникают свободные затухающие колебания напряжения и тока в выходной цепи. Более наглядно эти колебания иллюстрирует снятая диаграмма напряжения на истоке транзистора относительно общего провода питания (рис. 6), где хорошо заметно, что затухающие колебания напряжения происходят относительно уровня 32 В, соответствующего выходному напряжению преобразователя. Выходной фильтр С4С5 снижает пульсации выходного напряжения до 300 мВ.
Как видно из рис. 5 и 6, пиковый ток коммутирующего транзистора микросхемы (169 мА) в несколько раз меньше максимально допустимого значения 700 мА, напряжение на стоке этого транзистора (300 В) также меньше максимально допустимого 730 В Это обеспечивает работу преобразователя с большим запасом электрической прочности, что наряду со встроенной в микросхему тепловой защитой, а также защитой от замыканий и обрывов в нагрузке гарантирует многолетнюю надежную работу описанного устройства.
Внешний вид светодиодной лампы показан на рис. 7. В ней использован отражатель от неисправного карманного фонаря.
Литература
1. Косенко С. Особенности работы индуктивных элементов в однотактных преобразователях. – Радио. 2005. № 7. с. 30-32.
2. Косенко С. Автоматизированное проектирование малогабаритных ИИП на микросхемах VIPer – Радио, 2008, № 5, с. 32. 33.