37

№ 4-6, июнь 2014

e�mail: ekis@vdmais.kiev.ua

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

ВВЕДЕНИЕНеотъемлемая составляющая светодиод-

ных ламп – драйвер светодиодов – устройствопреобразования переменного сетевого напря-жения в ток, протекающий через светодиоды[1-4].

Идеальный драйвер светодиодов – драйвер,поддерживающий постоянное значение тока,протекающего через светодиоды. Преимуще-ства бестрансформаторных драйверов свето-диодов – отсутствие импульсного AC/DC- илиDC/DC-преобразователя и соответственно – ка-тушки индуктивности или трансформатора, атакже громоздкого помехоподавляющегофильтра, что позволяет снизить стоимость игабариты светодиодной лампы.

Ряд компаний выпускает микросхемы, ори-ентированные на создание недорогих неизоли-рованных бестрансформаторных источниковпитания светодиодов, предназначенных дляприменения в разных приложениях. В их чис-ле Integrated Crystal Technology Inc. (DR3062),Supertex Inc. (CL8800/01), Texas Instruments(TPS92411) и другие. Эти микросхемы обес-печивают типовое значение PF >0.9, КПД – бо-лее 80% и THD – менее 25%.

Ведущие компании-производители крайнезаинтересованы в продвижении своей продук-ции на рынок и поэтому предлагают разработ-чикам всестороннюю помощь в разработке ко-нечных изделий. Так, на web-сайтах многихкомпаний можно найти программное обес-печение (ПО) для разработки драйверов свето-диодов с применением микросхем, выпускае-мых этими производителями. Как правило,использование ПО позволяет выполнить рас-

чет номинальных значений компонентов драй-вера, мощности, потребляемой его компонен-тами (выходным транзистором, диодом, ка-тушкой индуктивности и пр.), а также расчетКПД драйвера. Зачастую можно ознакомитьсяс результатами моделирования схемы, что вомногом облегчает понимание особенностей ра-боты драйвера в разных режимах.

На web-сайте компании Texas Instrumentsможно найти программные и аппаратные сред-ства, использование которых позволяет полу-чить предварительную оценку выходных ха-рактеристик и существенно ускорить и упро-стить разработку драйвера светодиодов, соз-данного на базе микросхемы TPS92411. Этопрограммы в формате Excel для расчета номи-нальных значений компонентов и параметровдрайвера светодиодов с использованием мик-росхемы TPS92411. Имеются демонстрацион-ные платы (evaluation board module) драйверовсветодиодов для сетевого напряжения 230 и120 В [2, 3]. В документации на эти платы при-ведены электрические схемы, характеристикидрайверов, а также осциллограммы, поясняю-щие принцип их работы. Параметры драйверасветодиодов для сетевого напряжения 230 Вданы в таблице [2].

В настоящее время использование про-грамм SPICE (Simulation Program with Inte-grated Circuit Emphasis – программ моделиро-вания с ориентацией на интегральные схемы)стало неотъемлемой частью разработки нетолько интегральных схем, но и устройств, со-держащих ИМС. Не секрет, что использованиепрограмм моделирования при разработке но-вых аналоговых, цифровых и аналого-цифро-

SPICE-МОДЕЛЬ ДРАЙВЕРА СВЕТОДИОДОВ

SPICE-MODEL OF DRIVER FOR LEDS

T his article intends to provide a brief overviewthe inductorless 230V AC linear direct driver ofLEDs.

V. Okhrimenko

В статье приведены результаты мо-делирования бестрансформаторно-

го драйвера светодиодов, построенногона базе новых микросхем TPS92411.

В. Охрименко

Аbstract –

вых устройств позволяет сократить сроки раз-работки, отладки и тестирования законченныхстройств. Вполне очевидно, что схему прощемоделировать с использованием персонально-го компьютера, чем макетировать с паяльни-ком в руках. Кроме того, возможность в про-цессе моделирования выполнить проверку ха-рактеристик модели в широком диапазоне из-менения параметров компонентов, температу-ры окружающей среды и пр. позволяет уско-рить разработку схем.

Поэтому неудивительно, что компанияTexas Instruments предоставляет такжеPSpice-модель микросхемы TPS92411(TPS92411 Simulation Model) и, созданную наее базе модель драйвера светодиодов, предна-значенного для работы при сетевом напряже-нии 120 В (www.ti.com/product/tps92411).

Параметры драйвера светодиодовс использованием ИМС TPS92411

В статье приводятся результаты моделиро-вания бестрансформаторного драйвера свето-диодов, построенного на базе микросхемыTPS92411. В качестве программы схемотехни-ческого моделирования использовалась про-грамма PSpice A/D OrCAD v.16.5.

ИМС TPS92411Анонсированная в конце 2013 года микро-

схема TPS92411 представляет собой, по сути,"плавающий" МОП-ключ с устройством

управления [1-3]. Структурная схема драйверасветодиодов с применением ИМС TPS92411приведена на рис. 1.

Сопротивление транзисторного ключа в от-крытом состоянии 2 Ом (типовое значение), до-пустимое напряжение 100 В, скорость нараста-ния выходного напряжения при включениисоставляет 1 В/мкс. Для управления состояни-ем (вкл./откл.) встроенного коммутирующегоМОП-транзистора используются RS-триггер идва компаратора с регулируемым напряжени-ем срабатывания, устанавливаемым с исполь-зованием всего двух внешних резисторов.Микросхема изготавливается в корпусеSOT23-5 или SO-8 Power-Pad и обеспечиваетмаксимальный ток до 200 или 350 мА соответ-ственно. Диапазон допустимой температурыкристалла -40…165 °C. Тепловое сопротивле-ние R� jb – 38 или 39.1 °C/Вт (в зависимости оттипа корпуса). Использование микросхемыTPS92411 в драйверах светодиодов обеспечи-вает получение коэффициента мощности более0.9 [4].

МОДЕЛЬВ модели драйвера используются модели

светодиодов типа Cree XLamp MX6S LED (све-товой поток 100-130 лм в зависимости от груп-

38

№ 4-6, июнь 2014

www.ekis.kiev.ua

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Параметр Значение

Номинальная вых. мощность, Вт(при напряжении сети 230 В) 16

Напряжение сети, В 190…260

Максимальный потребляемый ток,мА 80

Пульсации выходного тока, % 23

Пульсации выходного тока вкаждой секции, мА (от пика допика)

30

КПД, % 77

Коэффициент мощности 0.966

THD, % 16.6

Рис. 1. Структура драйвера светодиодовс применением ИМС TPS92411

39

пы). Типовое значение падения напряженияпри прямом токе 60 мА – 20 В. Вольтампернаяхарактеристика светодиодов MX-6S LED при-ведена на рис. 2.

На рис. 3 приведена схема (OrCAD) моделидрайвера светодиодов с применением микро-схемы TPS92411. Данная схема получена в ре-зультате несложной доработки схемы драйве-ра TPS92411 PSpice Transient Model (Simula-tion Models), которую можно найти на web-сай-те компании Texas Instruments. Модифициро-ванная схема модели драйвера предназначенадля использования при сетевом напряжении230 В. Цепочка подключаемых светодиодовразбивается на три секции таким образом, что-бы сумма падения напряжения на секцияхбыла примерно равна амплитудному значению

сетевого напряжения. При напряжении сети230 В рекомендуемые значения: 40, 80 и 160 В[1, 2].

Напряжение порога срабатывания встроен-ного компаратора, при котором происходитразмыкание ключа, выбирается примерно на8-12 В выше падения напряжения на соответ-ствующих подключенных секциях светодио-дов. Для приведенной на рис. 3 схемы – это 49,89 и 169 В. Рекомендуемое напряжение поро-га, при котором происходит замыкание МОП-ключа, составляет примерно 6 В. Таким обра-зом, при достижении напряжения 49 В на пер-вой секции (1) светодиодов встроенный в ИМСU1 МОП-транзистор переходит в закрытое со-стояние и происходит разрядка подключенно-го к секции конденсатора (C5) через входящиев нее светодиоды. Стабилизатор тока (Q2, Q3)поддерживает заданный ток при изменении се-тевого напряжения. Величина тока определяет-ся необходимой мощностью и соответственно со-противлением резистора R22. К примеру, припотребляемой мощности 16.6 Вт, величина токасоставляет 0.072 А (16.6 Вт/230 В) и сопротивле-ние резистора R22 равно 34.8 Ом [2]. Временныедиаграммы, поясняющие принцип работы драй-вера, приведены на рис. 4. Графики изменениятока, протекающего через секции светодиодовпри разных значениях емкости фильтрующихконденсаторов (С4, С5, С10), приведены нарис. 5.

№ 4-6, июнь 2014

e�mail: ekis@vdmais.kiev.ua

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Рис. 2. Вольамперная характеристика светодиода XLamp MX6S

Рис. 3. Модель драйвера светодиодов с использованием ИМС TPS92411

40

№ 4-6, июнь 2014

www.ekis.kiev.ua

ЗАКЛЮЧЕНИЕИспользование предоставляемой компа-

нией Texas Instruments PSpice-модели драй-вера светодиодов, созданного на базе ИМСTPS92411, позволяет выполнить анализ ха-рактеристик модели при изменении парамет-ров компонентов и, в конечном счете, уско-рить разработку драйвера.

Недорогие и надежные неизолированныебестрансформаторные драйверы светодио-дов, выполненные на базе ИМС TPS92411,могут найти применение в светодиодныхлампах, ориентированных на разные прило-жения, в том числе и светильниках дляЖКХ.

Более полную информацию об ИМСTPS92411 можно найти в [1-4].

ЛИТЕРАТУРА1. Floating Switch for Offline AC Linear

Direct Drive of LEDs with Low Ripple Current.– Texas Instruments, October2013(www.ti.com).

2. TPS92411EVM-002 Offline LED Driver.Evaluation Module. User's Guide SLVUA08. –Texas Instruments, December 2013(www.ti.com).

3. Switch Controlled Direct Drive Switchfor Offline LED Drivers. User's GuideSLVU965. – Texas Instruments, October 2013(www.ti.com).

4. Охрименко В. Драйверы светодиодов //ЭКиС – Киев: VD MAIS, 2014, № 2-3.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Рис. 4. Временные диаграммы, поясняющиепринцип работы драйвера

Рис. 5. Графики изменения тока, протекающегочерез секции светодиодов

Уважаемые подписчики и читатели нашего журнала!

По не зависящим от редакции обстоятельствам выпуск журнала в 2014 году будет осуществляться один раз в квартал.

Приносим свои извинения и надеемся на взаимопонимание.