Программа Сервисный Центр
0

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю


Повышающие преобразователи энергии с асинхронной топологией часто используются в схемах драйверов светодиодов в тех случаях, когда входного напряжения VIN недостаточно для прямого смещения светодиодной цепочки. Подобная топология с коммутацией индуктивности формирует напряжение, позволяющее получить необходимый диапазон регулирования тока светодиодов, и обычно используется в схемах светодиодной подсветки экранов. В приложениях, где матрица светодиодов удалена от драйвера, например, в источниках внутреннего и внешнего освещения, вероятность короткого замыкания на землю весьма высока, а последствия могут быть катастрофическими. Предотвратить катастрофические отказы может схема защиты, работающая как электронный размыкатель цепи.

Как видно из Рисунка 1, вход повышающего преобразователя физически соединен с выходом через силовой дроссель L1 и диод D1. Поэтому при коротком замыкании выхода может произойти насыщение дросселя, следствием которого будет бросок тока, способный повредить диод. Что еще хуже, короткое замыкание может вывести из строя все, что подключено к входу, включая ШИМ-контроллер. Совершенно очевидно, что в случаях, когда подобная топология используется для питания удаленных светодиодов, должна предусматриваться какая-то схема защиты.

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю
Рисунок 1.Схема драйвера светодиодов на основе неизолированной повышающей технологии.

Предлагаем рассмотреть универсальную и недорогую схему, которую можно оптимизировать для защиты повышающего преобразователя и его входа от короткого замыкания нагрузки. Кроме того, мы представим результаты моделирования, подтверждающие заявленные характеристики схемы.

Ограничитель тока и электронный размыкатель цепи

Монитор сигнала токового шунта INA201 (current shunt monitor – CSM), представляющий собой точный токочувствительный дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, часто используется для измерения входного и выходного тока [1]. Типичная конфигурация такого монитора показана на Рисунке 2. В это специализированное устройство интегрирован компаратор с открытым истоком, который может быть запрограммирован на переключение, защелкивание или сброс определенным уровнем тока.

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю
Рисунок 2.Монитор сигнала токового шунта выполняет защитную функцию.

Выход компаратора может использоваться для управления внешним ключевым MOSFET, который способен прервать режим короткого замыкания нагрузки в течение считанных микросекунд. Помимо прерывания входного тока при аварийных ситуациях на выходе, аналоговый выход может использоваться для создания так называемого «отрицательного входного импеданса» импульсного регулятора, благодаря которому при уменьшении входного напряжения входной ток будет увеличиваться.

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю
Рисунок 3.В ограничителе входного тока используются измеренные значения
входного и выходного токов.

Ограничение входного тока может быть реализовано объединением сигналов от датчиков входного и выходного тока по схеме логического «ИЛИ». Конечной целью является формирование смешанного сигнала обратной связи, управляющего контроллером ШИМ так, как это показано на Рисунке 3. Тогда начинает преобладать обратная связь по току выхода, уменьшающая ток светодиода, поскольку входное напряжение падает ниже предустановленного уровня, и, таким образом, ограничивает входной ток.

Описание работы схемы

Рисунок 4 демонстрирует схемную реализацию драйвера светодиодов на основе повышающего преобразователя с защитой выхода от коротких замыканий. Показанный на схеме светодиод Ostar компании Osram Opto Semiconductors разработан для использования в автомобильных фарах и представляет собой монолитный пятикристальный прибор на изолированной металлической подложке (Рисунок 5). Устройство выдерживает пиковые токи 2 А, если длительность импульса не превышает 10 мкс, и при токе 1 А имеет типичное значение прямого напряжения 18 В. Повышающий DC/DC преобразователь TPS40211 [2] измеряет прямой ток светодиода с помощью вывода подключения обратной связи и управляет этим током, подстраивая выходное напряжение. Величина ток светодиода, задаваемая токоизмерительным резистором RSNS, пропорциональна напряжению VREF внутреннего опорного источника ШИМ-преобразователя (RSNS = VREF/ILED). При использовании повышающего преобразователя с низким напряжением опорного источника можно повысить КПД преобразователя и снизить тепловую нагрузку на компоненты.

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю
Рисунок 4.Схема повышающего драйвера светодиодов с защитой от
короткого замыкания нагрузки.

Хотя по сути своей светодиод способен достичь срока службы свыше 50,000 часов, он чувствителен к температуре и электрическим перегрузкам, а характеристики его динамического сопротивления нередко создают разработчикам проблемы при выборе компонентов импульсного преобразователя и конструировании цепи обратной связи. В связи с этим, для того, чтобы изучить узкие места цепей защиты и управления светодиодом и предсказать их поведение в различных режимах работы, было выполнено моделирование изображенной на Рисунке 4.

Выбранный для этого анализа контроллер ШИМ имеет опорное напряжение обратной связи 0.26 В. Следовательно, при токе светодиода, равном 1 А, мощность, рассеиваемая на токоизмерительном резисторе RSNS, составит всего 0.26 Вт. Поскольку коэффициент усиления CSM равен 50, в цепи измерения выходного тока можно использовать резистор с намного меньшим сопротивлением. Когда ток, проходящий через измерительный резистор CSM, превысит уровень, определяемый токоизмерительным резистором, усилением CSM и порогом компаратора, проходной P-канальный MOSFET, работая как электронный размыкатель, разорвет ток нагрузки.

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю
Рисунок 5.Пятикристальный светодиод Ostar компании
Osram Opto Semiconductors.

Сигнал, зафиксированный в выходной защелке компаратора, может быть сброшен подачей напряжения низкого уровня на вход RESET. Однако в иллюстративных целях этот вход в нашем варианте заблокирован, чтобы иметь возможность исследования скорости отклика схемы. Скорость отклика и уровни пиковых токов зависят от многих факторов. В их число входят параметры выбранных компонентов, полоса пропускания CSM, характеристики фильтра, выходная емкость, тип MOSFET и величина индуктивности L1. Совокупность этих факторов определяет выходной импеданс преобразователя. Для точной оценки поведения схемы мы запускаем моделирование с шагом не более 50 нс, а относительную погрешность постоянного напряжения задаем равной 0.001%. Анализ выполнялся с помощью TINA-TI – бесплатного симулятора, совместимого с Berkeley SPICE 3f5. Моделирование повышающего преобразователя с шагом 5 мс при частоте переключения 300 кГц показало, что переход от запуска к стационарному состоянию занимает чуть менее 30 секунд.

Где размещать CSM

CSM можно подключить как к входу, так и к выходу повышающего преобразователя. В данной модели CSM помещен на выход, где он измеряет ток с помощью включенного последовательного с выходным MOSFET (T5) шунта 10 мОм. От места расположения CSM зависит, будет ли схема защищать от внутренних, и/или от внешних коротких замыканий. В любом случае, при разработке CSM необходимо обеспечить достаточный запас по синфазному напряжению для всего диапазона рабочих режимов.

В случае размещения со стороны входа повышающего преобразователя, можно выбрать CSM с более узким диапазоном синфазных напряжений. Однако включение CSM на выходе шунтирует коммутируемую катушку преобразователя и создает условия для более быстрой реакции на короткое замыкание схемы. Но независимо от того, где находится CSM, в схеме должен быть RC-фильтр, снижающий шумы и резонансные колебания, которые могут возникать в результате резких бросков тока через токоизмерительный резистор RSHUNT. Для этого будет достаточно включения небольшого резистора 100 Ом и дифференциального конденсатора, постоянная времени которых втрое превышает оценку постоянной времени Lp/RSHUNT токоизмерительного резистора (где Lp – паразитная индуктивность измерительного резистора). Поскольку этот шумовой фильтр оказывает негативное влияние на ошибку усиления и полосу пропускания CSM, необходимо, чтобы его постоянная времени была минимальной.

Результаты моделирования

Результаты моделирования схемы представлены на Рисунке 6. Здесь VG – напряжение, управляющее P-канальным MOSFET, для нормальных условий установленное на уровне –6 В. Это напряжение необходимо оптимизировать в зависимости от порогового напряжения транзистора, заряда затвора и параметров насыщения. Снижение напряжения затвора и правильный выбор подтягивающего резистора могут улучшить время реакции. Заметьте, что зависимости входного тока IIN и напряжения затвора VG приведены для двух случаев: фиолетовый цвет соответствует MOSFET с большим зарядом затвора («Медленный MOSFET»), а синий – с малым.

Как защитить выход драйвера светодиодов от коротких замыканий на землю
Рисунок 6.Модель подтверждает ожидаемое поведение схемы защиты.

Очевидно, что снижение заряда затвора минимизирует ток со стороны входа. Следовательно, для получения оптимального отклика очень важно правильно выбрать MOSFET и драйвер его затвора, поскольку от этого выбора зависят скорость изменения тока и область безопасной работы транзистора. Это достаточно сложные аспекты конструирования, которые нелегко анализировать, поэтому лучше всего проверять их на модели, и лишь потом собирать лабораторный макет.

Некоторые осциллографы, в частности, Tektronix оснащены специальным ПО для расчета коммутационных потерь мощности и определения области безопасной работы MOSFET. Моделирование показывает, что время отклика будет меньше 2 мкс, и в результате к тому моменту, когда ток будет разорван, входной ток не превысит 6 А. Пиковые значения входного и выходного токов зависят от типа выбранного MOSFET. Хорошей альтернативой MOSFET, обеспечивающей время размыкания менее 250 нс, могут быть высококачественные контроллеры горячей замены, управляющие N-канальными МОП устройствами верхнего плеча. Эти приборы, хоть и оптимизированные для горячей установки сменных модулей в объединительную панель, вполне подходят для эффективного решения нашей задачи.

Предотвращение отказов

Описанная в этой статье и проверенная моделированием схема разрывает или ограничивает входной и/или выходной ток повышающего преобразователя драйвера светодиодов в различных условиях нагрузки. Схема была оптимизирована для использования в формирователе тока для светодиодной автомобильной фары. Мы показали, что достижение оптимального времени отклика схемы требует тщательного анализа и выбора компонентов. Объединение всех характерных особенностей схемы в одной комплексной модели и анализ ее во временнóй области позволяют понять поведение устройства в рабочих режимах и правильно выбрать необходимые компоненты.

Возможности использования специализированных контроллеров горячей замены, среди которых есть приборы со специфическими полезными функциями и оптимизированными параметрами, обязательно должны быть изучены. В любом случае при создании схемы прерывания или ограничения питания необходим тщательный анализ. Разработка надежных схем управления и защиты для светодиодов является очень непростой задачей, в решении которой вам помогут такие программные средства, как TINA-TI, SPICE и WEBENCH.

 
 
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.
 
Обратная связь

Наши партнеры

 

Опросы

Есть ли справедливость в жизни?
Конечно есть, уверен!
Вроде как должна быть, но...
Затрудняюсь ответить...
Какая справедливость? О чем Вы?
Эх.., нет правды на свете!

 

Облако тегов

Требуется для просмотраFlash Player 9 или выше.

Показать все теги
 

Календарь публикаций

«    Декабрь 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
 

Архив новостей

Декабрь 2016 (15)
Ноябрь 2016 (42)
Октябрь 2016 (34)
Сентябрь 2016 (38)
Август 2016 (34)
Июль 2016 (36)
 
Наверх Сервисные мануалы Даташиты Ремонт LCD, ЖК телевизоров LG Samsung Скрипт программы "Сервисный центр"