Несмотря на то, что за последнее десятилетие светодиоды значительно усовершенствались, развитие технологий изготовления драйверов для них отстает по темпам, и в некоторых отношениях это является ограничивающим фактором для новых сфер применения. Особую проблему представляет размер. Резкое увеличение частоты переключения позволяет уменьшить размер, но часто вызывает другие проблемы или является дорогостоящим решением. Микки Мэдсен (Mickey Madsen), генеральный директор Nordic Power Converters, объясняет, как его компания преодолела эти препятствия и реализовала решение благодаря разработке высокочастотных светодиодных драйверов.
Сравнение традиционного драйвера мощностью 20 Вт, где пассивные элементы составляют большую часть объема, и частоты переключения 100 кГц по сравнению с новой технологией NPC с частотой 30 МГц
Светодиодная технология революционизировала рынок освещения за счет своей эффективности, форм-факторов, длительного срока службы и возможностей управления и продолжает предлагать новые решения. За последнее десятилетие качество светодиодных драйверов несколько улучшилось, они оптимизируются, но остаются нерешенными основные проблемы: технология преобразования мощности в основном не изменилась, поскольку импульсные источники питания были введены в использование еще в 1970-х годах. Что касается размера, срока службы и управления, светодиоды по этим характеристикам опережают светодиодные драйверы, которые обеспечивают их питание. Один из способов устранить этот разрыв - это значительное увеличение частоты переключения. Идея не нова, но пока она не была реализована коммерчески выгодным способом. Помимо увеличения частоты переключения, применяемая технология позволяет уменьшить размер пассивных накопителей энергии. Таким образом, можно уменьшить размер, вес и, следовательно, стоимость светодиодных драйверов при одновременном повышении надежности и увеличении срока службы.
Ограничения светодиодных систем из-за светодиодных драйверов
За последнее десятилетие эффективность светодиодов многократно повысилась с эквивалентным удешевлением, и эта тенденция будет продолжаться. Повышение эффективности привело к снижению рассеиваемой мощности и, следовательно, уменьшению потребности в охлаждении. Все это привело к появлению осветительных элементов меньшего размера с большей свободой дизайна при меньшей стоимости. Однако светодиодные драйверы, необходимые для питания светодиодов и управления ими, не претерпели аналогичных значительных улучшений.
Во-первых, размер и форм-фактор светодиодных драйверов определяются такими необходимыми компонентами, как пассивные накопители энергии (индукторы и конденсаторы). Во-вторых, малый срок службы требуемых компонентов ограничивает срок службы и надежность светодиодных драйверов, что приводит к основной причине сбоев светодиодной системы – и зачастую раньше, чем ожидают пользователи. В-третьих, в то время как стоимость светодиодных драйверов снизилась с увеличением объемов производства, дальнейшее сокращение затрат ограничено сырьевыми материалами для традиционных компонентов, такими как медь. Поэтому, чтобы светодиодные драйверы могли догнать светодиоды в части разработки и удовлетворить требования рынка, необходимо внедрение инноваций.
Значимость, размер и цена пассивных компонентов в светодиодных драйверах обратно пропорциональны частоте переключения, и резкое увеличение частоты переключения приведет к значительному увеличению плотности мощности и снижению стоимости. Преимущества этой концепции хорошо известны и в равной степени представляют собой проблемы. Как объяснено ниже, увеличенная частота переключения приводит к серьезным коммутационным потерям, которые снижают КПД и ведут к системным сбоям импульсных источников питания с жестким переключением (SMPS).
Технология изготовления традиционных источников питания
Первые импульсные источники питания были разработаны в начале 1970-х годов и с тех пор стали стандартом рынка источников питания и светодиодных драйверов. КПД и плотность мощности источников питания улучшились за 40 лет исследований и разработок и с тех пор достигли лучших результатов по мере усовершенствования технологии и оптимизации компонентов. Тем не менее, темпы внедрения улучшений значительно сократились.
Что касается уровней мощности большинства светодиодных драйверов, одни из лучших опубликованных результатов - это КПД около 95% и плотность мощности 0,88 Вт/см3. Эти результаты достигнуты в лаборатории с контролируемой средой и без учета затрат. Для коммерческих продуктов допускается снижение КПД и плотности мощности с целью сокращения издержек.
Одни из самых маленьких блоков питания на массовом рынке - это известные зарядные устройства для ноутбуков Apple типа sugar cube (кубик сахара). Плотность мощности версии 60 Вт составляет 0,59 Вт/см3. (включая корпус и штекер), а КПД - 90%. У зарядного устройства USB КПД и плотность мощности ниже: КПД около 75%, а плотность мощности около 0,31 Вт/см3. Те же тенденции наблюдаются для светодиодных драйверов с различиями в зависимости от уровня мощности, характеристик, производительности и цены.
Снижение КПД и плотности мощности при более низких уровнях мощности частично связано с тем, что корпус, штепсели, контуры системы управления, пуска, защиты и другие не зависят от уровня мощности, и частично это продиктовано компромиссом с ценой. По мере увеличения уровня мощности КПД становится более важным параметром, и повышение цен обычно становится приемлемым за счет повышения КПД.
Коммутационные потери влияют на частоту переключений
В традиционных топологиях импульсных источников питания, таких как Buck, Boost и Flyback, используется жесткое переключение, что означает, что МОП-структура на плате переключается, когда на ней есть напряжение и/или через нее протекает ток. В результате энергия в МОП-структуре рассеивается при каждом ее включении. Это называется коммутационными потерями. В традиционных преобразователях частота переключения выбирается для обеспечения компромисса между КПД (коммутационными потерями), размером и стоимостью. Для большинства коммерческих продуктов частота переключения составляет 50-400 кГц, так как считается приемлемым вариантом.
Типичный импульсный источник питания с жестким переключением (SMPS) этого частотного диапазона показан на рисунке 1. Здесь ясно видно, что пассивные энергоносители - конденсаторы и магниты - составляют большую часть объема. В ведомости материалов соотношение между пассивными и активными компонентами обычно составляет 60% и 40%, соответственно. Следовательно, существенных преимуществ по размеру и стоимости можно достичь за счет уменьшения пассивных компонентов. Поскольку значимость, размер и стоимость этих компонентов обратно пропорциональны частоте переключения, было бы разумно увеличить частоту переключения до МГц или даже до диапазона очень высоких частот (ОВЧ) (30-300 МГц). Однако при простом увеличении частоты до диапазона ОВЧ коммутационные потери увеличились бы почти в 1000 раз. Такое количество энергии нивелирует КПД и вызовет перегрев и отказ источника питания.
Во избежание коммутационных потерь и с целью повышения частоты при сохранении высокого КПД, необходимо использовать новые топологии. При использовании резонансных преобразователей можно обеспечить переключение при нулевом напряжении (ZVS), и избежать коммутационных потерь из-за паразитных емкостей. Существуют три группы резонансных преобразователей: последовательные, параллельные и последовательно-параллельные резонансные преобразователи.
У последовательных резонансных преобразователей лучший КПД и более простая конструкция, но они имеют фундаментальные проблемы с регулированием выходного сигнала, особенно для осветительной нагрузки и работы без нагрузки.
Параллельные резонансные преобразователи лучше регулируют нагрузку, но их резонансные токи не масштабируются с выходной мощностью. Это приводит к потерям при полной нагрузке даже при малых нагрузках, что приводит к очень низким КПД для светильников.
Последовательно-параллельные резонансные преобразователи имеют как последовательный, так и параллельный резонансный элемент. Эти элементы могут быть сбалансированы и обеспечивать преимущества как последовательной, так и параллельной топологии при значительном сокращении их недостатков. LLC-преобразователь - это наиболее часто используемая топология резонансных преобразователей. Он может быть спроектирован с переключением при нулевом напряжении (ZVS) для уменьшения потерь при переключении и повышения частоты. LLC-преобразователи часто используются в приложениях, где требуется понижение напряжения от нескольких сотен вольт до нескольких десятков вольт и обычно в диапазоне мощности 400-4000 Вт [1].
С 1980-х годов проводились исследования использования резонансных РЧ-усилителей (инверторов) в сочетании с выпрямителем для DC/DC-преобразователей [2, 3]. Используя такие типы преобразователей можно обеспечить переключение при нулевом напряжении и/или нулевом токе (ZCS). В этом случае МОП-структура включается, когда напряжение на ней и/или ток через нее равны нулю. Теоретически при этом должны устраняться коммутационные потери, если переключение выполняется мгновенно и точно в нужное время. На практике очень высокой эффективности можно достичь с небольшими отклонениями от идеального случая.
Резонансные преобразователи ОВЧ
В течение последнего десятилетия усилился акцент и проводятся исследования этого типа преобразователей, работающих в диапазоне ОВЧ. При переходе в этот частотный диапазон значительно снижается потребность в пассивном хранении энергии и использовании магнитных элементов с сердечником. Электролитические конденсаторы можно заменить магнитными с воздушным сердечником и керамическими конденсаторами, что позволяет свести к минимуму размер и цену при продлении срока службы [4, 5].
При частоте переключения от 30 до 300 МГц основная проблема при выборе топологии - это коммутационные потери. В МОП-структурах из-за паразитной выходной емкости они линейно увеличиваются с частотой переключения и становятся доминирующим механизмом потерь на этих частотах, если это не учтено в топологии.
Рис. 2: Схема преобразователя класса E
Рис. 3: Схема преобразователя класса DE
Класс E
Большинство топологий основаны на использовании инвертора класса E, в конструкции которого используется выходная емкость переключателя, и предусматривается, чтобы емкость полностью разряжалась до включения МОП-структуры. Некоторые топологии могут также осуществлять переключение при нулевом токе (ZCS). Это позволяет избежать потерь, вызванных паразитными индуктивностями, например, в корпусе МОП-структуры. Хотя обычно это не существенный механизм потерь в силовых преобразователях, это приводит к тому, что производная напряжения равна нулю в данном варианте переключения (ZdVS или ZDS) и, следовательно, актуально. При этом влияние уменьшается, если МОП-структура не включается точно в нужное время, так как напряжение на ней будет близким к нулю в течение некоторого времени.
Базовый преобразователь класса E на сегодняшний день является наименее сложной топологией и хорошо описан. Простые процессы проектирования возможно использовать, если отдельные компоненты не оказывают серьезного влияния друг на друга. Инвертор состоит только из одной МОП-структуры, двух индукторов и конденсатора. Он хорошо подходит для приложений с низким входным напряжением, но для приложений с высоким входным напряжением (например, для сети питания) градиент напряжения, в 3,5 раза превышающего входное напряжение на переключателе, является основным недостатком этой топологии. Если индукторы предназначены для работы в оптимальной ситуации, то их размеры будут самыми большими для любой из топологий, что ограничивает характеристики переходного режима и плотность мощности. Тем не менее, инвертор может быть спроектирован для работы в подрежимной ситуации с меньшими индукторами и более быстрым переходным откликом.
Преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (SEPIC) можно рассматривать как незначительно модифицированную версию преобразователя класса E, единственное отличие в схеме состоит в том, что индуктор в объемном резонаторе удален. При этом не только уменьшается количество индукторов, но и два оставшихся индуктора также будут меньше, чем для класса E (если преобразователь предназначен для работы в рамках оптимального режима). Однако конструкция SEPIC сложнее, поскольку инвертор и выпрямитель не могут быть спроектированы отдельно, и поэтому все компоненты влияют друг на друга. Следовательно, в SEPIC-преобразователях можно достичь более высокой производительности с точки зрения КПД, переходных характеристик, размера и стоимости, но они имеют более сложную конструкцию.
Класс φ2
Преобразователь класса φ2 также является модифицированной версией класса E, единственное отличие состоит в добавлении индуктивно-емкостного контура для уменьшения напряжения на МОП-структуре, за счет чего конструкция получается более трапециедальной. При том, что это хороший способ уменьшения градиента напряжения, для крутых кривых напряжения требуются большие токи, за счет чего потери больше, чем для инвертора класса E. Несмотря на то, что у этого инвертора 2 дополнительных компонента по сравнению с инвертором класса E, его физический размер может быть практически таким же, так как размер индукторов меньше. Суммарные потери больше, чем для инвертора класса E из-за более высоких резонансных токов. Это может быть приемлемо, если можно выбрать МОП-структуры из другого класса, например, 100 В вместо 150 В устройства, но в противном случае наилучшим выбором является класс E или SEPIC.
Класс DE
Преобразователь класса DE представляет собой полумостовой инвертор, состоящий из того же количества компонентов, что и инвертор класса E; только самый большой индуктор заменен переключателем. Следовательно, в этой топологии имеется только один индуктор, который в то же время меньше любого индуктора в других топологиях. Пиковое напряжение на МОП-структурах является самым низким из всех инверторов, при таких же малых токах.
Преобразователь класса φ2 был единственным инвертором с минимальным градиентом напряжения. Градиент напряжения для этой топологии примерно в 2,5 раза превышает входное напряжение, что в 2,5 раза больше, чем для класса DE. Это позволяет сохранять более чем в 6 раз больше энергии в выходном конденсаторе МОП-структуры. Это минимальная энергия, обеспечивающая резонанс для переключения при нулевом напряжении. Для приложений с низким энергопотреблением с высоким входным напряжением (например, с подключенными к сети светодиодными драйверами безопасного сверхнизкого напряжения (SELV)) таким образом задается значение резонансных токов. Кроме того, класс φ2, в частности, имеет еще больший резонансный ток из-за третьей гармоники, введенной для уменьшения пикового напряжения. Для достижения высокого КПД следует избегать коммутационных потерь и в то же время обеспечивать низкий уровень резонансных токов [6]. Следовательно, инвертор класса DE является топологией с фундаментальным потенциалом для достижения максимального КПД.
Таким образом, инвертор класса DE превосходит все топологии с одним переключателем, если может быть разработан эффективный высокочастотный привод затвора.
Рис. 4: Сравнение драйвера мощностью 20 Вт с частотой переключения 100 кГц и 30 МГц
Рис. 5: Кривая КПД драйвера мощностью 20 Вт, работающего на частоте 30 МГц
Технические преимущества ОВЧ
Переход на более высокие частоты имеет несколько преимуществ; среди основных - миниатюризация, надежность/срок службы и эффективность регулирования яркости.
Миниатюризация
На Рис. 1 показано, что пассивные энергоносители составляют большую часть объема SMPS. По грубой средней оценке, эти компоненты составляют 95% объема, а активные компоненты вместе с резисторами и т. д. - остальные 5%. Хотя увеличение частоты переключения не точно отражает уменьшение размера, увеличение частоты в 300 раз со 100 кГц до 30 МГц даст уменьшение примерно в 10 раз. Следовательно, общий размер SMPS будет уменьшен примерно до 15% от исходного. Это проиллюстрировано на рис. 4, где традиционный светодиодный драйвер мощностью 20 Вт, работающий на частоте 100 кГц, сравнивается со светодиодным драйвером мощностью 20 Вт, работающим на частоте 30 МГц
Надежность
Множество сбоев светодиодной системы вызвано светодиодными драйверами; некоторые утверждают, что подавляющее большинство сбоев. В большинстве случаев это связано с электролитическими конденсаторами, так как их срок службы значительно сокращается при температуре, при которой жидкость внутри них испаряется. Так как в диапазоне ОВЧ потребности в емкостях нет (или они незначительные), нет потребности и в электролитических конденсаторах и, следовательно, число отказов по этой причине уменьшается.
Кроме того, снижение потребности в хранении энергии приводит к тому, что магниты с воздушным сердечником являются возможной альтернативой магнитам с традиционным сердечником. Переход к магнитам с воздушным сердечником требует значительного повышения частоты, поскольку меньшей индуктивности на объем можно достигнуть без сердечника. При увеличении частоты до диапазона ОВЧ, встроенные в плату магниты с воздушным сердечником представляют собой жизнеспособные решения, так как индуктивность, требуемая на этих частотах, может быть реализована при небольших физических размерах, а потери в сердечнике исключены [7]. Это позволяет не только значительно удешевить спецификацию, но также повысить прочность и механическую стабильность светодиодного драйвера, так как магнитные компоненты имеют наибольшую физическую массу и чувствительны к высоким температурам.
Высокий КПД регулировки освещенности
Еще одно преимущество - это повышение КПД при диммировании. Из-за очень высокой частоты при диммировании сможет работать весь преобразователь без видимого мерцания. Таким образом, преобразователь либо включен и работает в оптимальных условиях с наивысшим КПД или выключен с небольшими потерями. График КПД очень ровный. Это можно использовать для достижения более высокой эффективности при диммировании для конкретного осветительного прибора или для применения данного драйвера для нескольких светильников при одновременно высоком КПД для всех приборов.
На Рис. 5 приведен КПД регулировки яркости показанного драйвера мощностью 20 Вт, работающего на частоте 30 МГц.
Светодиодные драйверы диапазона ОВЧ
Преимущества преобразователей мощности диапазона ОВЧ расширяют границы их применения. Однако компромиссы, на которые приходится идти при проектировании традиционных преобразователей, по-прежнему актуальны, поскольку некоторые параметры еще предстоит улучшить, если ослабить требования к другим характеристикам. Основными параметрами оптимизации являются, как правило, размер, КПД, надежность, стоимость и производительность. При разработке конкретного драйвера могут либо использоваться все преимущества ОВЧ для улучшения одного или двух параметров, либо улучшения могут распределяться по всем параметрам, как показано на диаграмме на Рис. 6.
В этом разделе будут представлены два примера светодиодных драйверов диапазона ОВЧ. В этих драйверах используются преобразователи класса DE и, в основном, они оптимизированы по размеру (комнатные) или надежности (уличные).
Компактный комнатный драйвер
Драйвер мощностью 20 Вт, показанный на рис. 4, оптимизирован для комнатного осветительного прибора с тонким профилем, компактным форм-фактором, низкой стоимостью и высоким КПД регулировки яркости. КПД падает только на 5% при уменьшении яркости до 10%.
Общая высота драйвера в сборе составляет всего 6 мм. Электролитический конденсатор немного выше, но его можно уменьшить, разделив его на две более тонкие версии или сделав вырез на печатной плате. Другой вариант - заменить электролитический конденсатор керамическими конденсаторами, как показано на Рис. 8. При этом увеличится стоимость, но также и срок службы при уменьшении высоты.
Надежный уличный драйвер
Требования к наружному освещению отличаются от требований к комнатному освещению. Хотя размер по-прежнему имеет значение, срок службы и надежность являются ключевыми параметрами из-за высокой стоимости замены неисправного драйвера. Драйвер мощностью 60 Вт, оптимизирован для этого приложения.
Драйвер не содержит электролитов, что в сочетании с хорошей электрической и тепловой конструкцией обеспечивает срок службы более 120 000 часов при температуре 75 градусов. Кроме того, он имеет встроенную защиту от перенапряжений 8 кВ/4 кА в нормальном режиме и 10 кВ/5 кА в дифференциальном режиме, что также обеспечивает высокую надежность и длительный срок службы. Драйвер полностью программируемый и имеет все стандартные интерфейсы управления. Драйвер имеет тонкий корпус размером всего 25 мм, а его объем составляет примерно половину от объема ближайших решений с традиционными SMPS
Рис. 6: Распределение параметров
Рис. 7: Компактный светодиодный драйвер мощностью 20 Вт без электролитов
Рис. 8: Светодиодный драйвер мощностью 60 Вт без электролитов
Выводы
Светодиодные драйверы стали одним из основных узких мест для светодиодного освещения, как с точки зрения размера, так и точки зрения надежности. Технология светодиодных драйверов диапазона ОВЧ обеспечивает фундаментальные преимущества для светодиодного освещения за счет меньшего форм-фактора, большей надежности и повышенного КПД кривой регулировки яркости. Конструкцию данного драйвера можно адаптировать таким образом, чтобы сфокусироваться на преимуществах для конкретной задачи по освещению.
Со стагнацией развития традиционных систем энергоснабжения и постоянным повышением требований к миниатюризации из-за улучшения качества светодиодов, необходимы новые технологии и решения для следующих поколений светодиодного освещения. Комбинируя схемы из радиочастотной отрасли с методологией проектирования силовой электроники, можно разработать новые топологии импульсных источников питания с жестким переключением диапазона ОВЧ практически без коммутационных потерь. Таким образом, снижается потребность в использовании пассивных элементов хранения энергии, что позволяет не использовать тяжелые и громоздкие магнитные компоненты и чувствительные к температуре электролитические конденсаторы.