Transcript Презентация 2010. Москва. Универсальные - Supertex-e.ru

Универсальные драйверы
светодиодов с управлением по
среднему току HV9961 и HV9967
8 ноября 2010 г.
HV9961: Стабилизатор усредненного тока
Характеристики
VIN
VO
1
L
VIN
5
PWMD
GATE
HV9961
or CS
HV9910B
6 VDD
VLD
7 LD
RT
GND
3
4
2
RCS
8
RT
2
2
q Точная 3% стабилизация
выходного тока
q Внешняя установка времени
разомкнутого состояния ключа
q Линейная ргулировка яркости
аналоговым сигналом
q Широтно-импульсная
регулировка яркости
q «Икающая» защита от К/З
q Рабочая температура -40C
/+125C
q Совместимость цоколёвки с
HV9910B
Ошибка пикового тока индуктора
ΔtCS
IL(PK)
IL(CS)
IL(AVG)
ΔIL(ERR)
ON
I L ( ERR)
ΔIL
OFF
VOTOFF  2VIN tCS

2L
ON
Ошибка выходного тока IL(ERR) неотъемлимо присуща
HV9910B, поскольку микросхема управляет пиковым
током IL(PK) в то время, как задача состоит в
стабилизации среднего тока IL(AVG).
3
3
Разброс параметров схемы на HV9910B
Время разомкнутого состояния ключа:
Задержка токочувствительного компаратора CS:
Типичный разброс индуктивности:
±20%
Пренебрежем
для простоты
±10%
Порог срабатывания CS:
±10%
4
4
Точность установки тока для HV9910B
Ток светодиодов:
IO 
VCS
V
VT
I
 L  CS  O OFF
RSENSE
2
RSENSE
2L
Типичный разброс токочувствительного резистора: ±1%
Предполагая IL= IO 40%,
±20%
получим разброс тока светодиодов:
5
5
Срок службы vs. температура кристалла
Желательная рабочая
точка
TJ=125С(max)
7000 часов
6
6
Влияние температурного сопротивления
теплоотвода
TJ=125C TJ=150C
TRISE  VF  I LED  RCA 
 3.4V  0.7 A 15C / W  36
TA 
 125C  23C  TJC  TRISE
 66C
7000 часов
TA=66C*
*Консервативные данные
7
7
Срок службы светодиодов и микросхема
HV9910B
Допустим, минимальная требуемая яркость светодиода задана в
люменах при минимальном выходном токе драйвера. Тогда, при
точности установки тока ±20%, срок службы в 50000 часов при 66 С
достижим путем:
1)
увеличения количества светодиодов на 40%, т.е. питания
светодиодов током в 0,56А ±20%; или
2)
увеличения эффективности теплоотвода с 15С/Вт до
9 С/Вт, т.е. увеличение его площади на 67%.
8
8
Вывод:
При использовании HV9910B необходим
значительный допуск на разброс выходного тока.
При заданной яркости осветительного устройства
это увеличивает его стоимость.
9
9
Стабилизация ILED по выходному напряжению
HV9961
HV9910B
10
10
Стабилизация ILED по входному напряжению
HV9910B
HV9961
11
11
Упрощенная блок-диаграмма HV9961
Линейная
VIN
регулировка с
выключением по
нижнему порогу
LD
VDD
Regulator
UVLO
0.15V/0.2V
POR
MIN(LD/5.5, 0.27V)
Автокалибровка
GATE
Auto-REF
CS
L/E
Blanking
Average Current
Control Logic
Основной
функциональный
блок
стабилизации
IN
OUT
Защита от К/З
PWMD
R Q
GND
0.43V
S Q
CLK
TOFF
Timer
400us
HV9961
12
12
i
Current
Mirror
RT
Таймер
разомкнутого
состояния ключа
и «икающего»
режима
Упрощенный алгоритм с постоянным TOFF
T2  T1
Пила таймера
Timer Ramp
Stable, but settles at
a random 2 nd subharmonic
275мВ
13
Однако, алгоритм в таком упрощенном виде приводит к
незатухающей 2-й субгармонике.
13
Итеративный алгоритм управления

1
T2, n   T1, n  T1, n 1
2

Пила таймера 1
Пила таймера 2
VRESET
275мВ
14
14
Схема авто-калибровки
Ток дросселя
GATE
S
Таймер
Q
R
CS
+
-

+
-

+
AUTO-REF
275мВ
Авто-калибровка устраняет влияние задержки
распространения и входного напряжения смещения
компаратора CS.
15
15
275мВ или LD/5.5
Генератор пилы (таймер)
Q2
Q
Q2
Q
Q1
R Q
Q1
S Q
Q1
T1
TOFF
Timer
iRT
TOFF
Q2
RT
VRESET
T2
iRT
iRT
Q3
Q1&Q3
Q2
Q2
CR1
CR2
VRESET
Q1&Q3
VR1
Q1&Q2
Q1&Q2
VRESET
VRESET
Q1&Q2&Q3
Q1&Q2&Q3
VR2
2 iRT
2 iRT
16
16
VRESET
Влияние ограничения D0.75 (0.8 для HV9967)
Ток iRT определяет TOFF:
TOFF  CT  RT  CT 
VRT
iRT
где
CT  40 pF
Размах пилы на CR1=CR2=CR:
VR 
GATE
iRT TON
D iRT TOFF
D CTVRT


CR
1  D CR
1  D CR
T1
VR1
CRVR (max)
CRVR (max)  CTVRT
VR1(max)
Допуская VR(max)=VRT, получим
Dmax 
TOFF
VR1(max)
Решая относительно Dmax, получаем:
Dmax 
T2
VR2
CR
CR  CT
СТ=40пФ согласно спецификации HV9961. Эффективная емкость CR выбрана так,
чтобы удовлетворить Dmax>0.75 при любых условиях в пределах допустимых режимов
эксплуатации. Однако, превышение Dmax приводит лишь к некоторому падению тока
светодиодов.
17
17
Установка тока светодиодов в HV9961
По встроенному опорному
напряжению:
По входу LD:
I LED
I LED
0.275V

 3%
RCS
VLD

 3%
5.5RCS
Отметим, что, в отличие от HV9910B, рабочий диапазон напряжения
на LD установлен между 0V и 1.5V.
Поэтому опорное напряжение на CS задается как VLD/5.5.
18
18
Линейная регулировка тока (HV9910DB3)
пороговое напр. 250мВ
LED Current, A
0.73
0.8
VIN = 24V
0.6
ILEDi 0.4
Остаточный ток
вследствие 0.2
TON(min)
Граница DCM
3
710
0
0
0
0.05
0.1
0.15
LDi
19
19
0.2
0.25
LD Input, V
0.3
Регулировочная характеристика по LD
(HV9961DB1)
• Отсутствует остаточный ток при VLD=0 (ср. с HV9910B)
• Допустима ШИМ регулировка по входу LD
20
20
HV9961: ШИМ димирование по входу LD
VLD
TOFF
VLD
IL
RCS
При «смешанном» димировании, первое TOFF используется
для инициализации Auto_ref=VLD.
21
21
HV9961: Отклик на PWMD
PWMD
VLD
IL
RCS
При ШИМ димировании, there is no delay. Auto_ref=VLD initialized during PWMD=0.
22
22
Проходная ВАХ HV9961DB1
2%
23
23
Выходная ВАХ HV9961DB1
2%
24
24
Выходная ВАХ с защитой от к/з
Область «икающего» режима
~240В
~120В
25
25
«Икающий» режим защиты от к/з
400мкс
26
26
HV9961 – Constant TOFF Only
Connected
to GND
R1
Vi n
Vdd
Connected
to GATE
Vd d
HV9910
LD
Rosc
HV99 10
Q1
G ate
PW MD
C2
R1
Vin
Ro sc
LD
Ga te
PW MD
CS
C2
GND
CS
GND
R2
R2
Constant TOFF
Not Supported
TOFF  R1 Ceff  d
where
Ceff  40 pF
Q1
and
27
27
 d  300ns
HV9961 vs. HV9910B - Резюме
Характеристика
HV9910B
HV9961
Режим с постоянной
частотой
Резистор между RT и GND
Не предусмотрен
Режим с постоянным tOFF
Резистор между RT и GATE
Резистор между RT
и GND
(корректировка
номинала при
переходе к HV9961)
Пороговое опорное
напряжение, мВ
250 или VLD (пиковое)
275 или VLD/5,5
(усредненное)
Разброс опорного
напряжения
10%
Авто-калибровка
Зависит от разброса
индуктивности и частоты
Не зависит от
разброса
индуктивности и
частоты
Разброс тока светодиодов
28
28
HV9961 vs. HV9910B - Резюме
Характеристика
HV9910B
HV9961
Стабилизация тока
светодиодов
Неудовлетворительная во многих
случаях, ток светодиодов зависит
от входного и выходного
напряжений
Отличная
Диапазон напряжения на
LD
0–250 мВ
0,2(0,15) – 1,5 В
Остаточный ток
светодиодов при VLD =
GND, мВ
5% (тип.) от ILED при VLD = 250
0
Порог защиты от короткого
замыкания, мВ
Не предусмотрен
440
Пауза после срабатывания
защиты, мкс
Не предусмотрена
400
Min длительность tON, нс
465
1000
Мах коэфф. заполнения
0,5 (пост. част.),
0,8 (пост. tOFF)
0,75
29
29
ПРЕИМУЩЕСТВА HV9961:
• ПРОСТОТА СХЕМНОГО РЕШЕНИЯ
• УВЕЛИЧЕНИЕ ЯРКОСТИ СВЕТОДИОДОВ ЗА СЧЕТ
ТОЧНОСТИ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА (±3%)
• СОВМЕСТИМОСТЬ ЦОКОЛЁВКИ С HV9910
• ШИМ РЕГУЛИРОВКА ТОКА
• ЛИНЕЙНАЯ РЕГУЛИРОВКА ТОКА
• НИЗКАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К РАЗБРОСУ
ЧАСТОТЫ
• НИЗКАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К РАЗБРОСУ
ИНДУКТИВНОСТИ
30
30
HV9967: 350мА драйвер со встроенным
ключем на 60В 0.8
Характеристики
•
•
8 – 60VDC
CIN
CO
LED
String
D1
•
•
L1
4
2
RSENSE
PWMD
U1
sw
HV9967
MSOP-8
VDD
RSENSE
PGND AGND RT
3
7
•
•
•
•
1
8
CDD
6
•
RT
31
31
Скоростная стабилизация выходного тока
Питание через сток выходного
транзистора
Внешняя установка длительности
разомкнутого состояния ключа
Внешняя установка тока светодиолов
Широтно-импульсная регулировка
яркости
«Икающая» защита от К/З
Защита от перегрева
Рабочая температура -40C /+125C
Миниатюрный корпус MSOP-8
Установки режимов в HV9967
Ток светодиодов:
Длительность TOFF:
I LED 
0.25V
 3%
RCS
TOFF  RT  80 pF  0.8s
(RT устанавливается между выводами RT и VDD.)
При выборе значения TOFF необходимо исходить из
минимально возможного TON=800ns(max):
TOFF (min)  TON (max) 
VOUT (min)
VIN (max)
Выводы AGND и PGND необходимо соединить при монтаже.
Конденсатор между VDD и PGND 0.5F(min).
Индуктивность дросселя:
L1 
32
32
VOUT (max)  TOFF
0.4  I LED
Упрощенная блок-диаграмма HV9967
Защита от
перегрева
VDD
HV9967
SW
4.75V/
4.65V
UVLO
VCS
Регулятор 5В
с защитой от
низкого
напряжения
REG
Основной
функциональный
блок
стабилизации
Аналогичный
HV9961
Защита от К/З
L/E
Blanking
60В 0,8
MOSFET
POR
OTP
IN
Average Current
Control Logic
RSENSE
OUT
VCS
PGND
PWMD
R Q
0.5V
100K
S Q
SET
TOFF
Timer
AGND
800us
33
PGND
i
Таймер
разомкнутого
состояния ключа
и «икающего»
режима
RT
33
HV9967: Каскодное соединение с DN2450
D2
D3
CIN
D4
AC Line
85-264V
CO
D5
LED
String
D1
L1
4
2
RSENSE
PWMD
U1
sw
HV9967
MSOP-8
VDD
RSENSE
1
Q1
DN2450
8
PGND AGND RT
3
7
CDD
6
RT
34
34
Новый полевой транзистор
с обеднением затвора
DN2450 7 500В SOT-89
(DPAK по запросу)
специализирован для
HV9967.
Управление Q1 по истоку
35
35
Стабилизация тока светодиодов
Ток светодиодов, мА
Стабилизация тока LED, Vin=340В
500
450
400
350
300
250
200
150
0
10
20
30
40
50
60
Выходное напряжение, В
Режим
«икающей»
защиты
Ток светодиодов, мА
Стабилизация тока LED, Vin=170В
400
350
300
250
200
150
0
10
20
30
40
Выходное напряжение, В
36
36
50
60
HV9967: Квадратичный понижающий преобразователь
L1
Q1
DN2450
1
AC Line
85-264V
CIN
D1
8
C1
BR1
6
D2
RT
Rd
L2
RSENSE
sw
U1 RSENSE
HV9967
PGND
2
LED
3
VDD
RT
AGND
PWMD
4
D3
7
COUT
CDD
Cd
•
HV9967 не требует внешнего источника питания VDD и может
быть использован под «плавающим» потенциалом;
•
Квадратичный понижающий преобразователь обеспечивает
высокий коэффициент преобразования напряжения m=VOUT/VIN
(например возможно включение1 светодиода 3В/350mA от
сети).
37
37
Напряжение на входе (Vd) и выходе (GND) ключа
VIN=100B, VO=3В/300мA
38
38
Напряжение на входе (Vd) и выходе (GND) ключа
VIN=400B, VO=3В/300мA
39
39
Режимы по постоянному току
Коэффициент преобразования напряжения:
m
VO
 D2
VIN
Предполагаем VIN=100~400V, VO=2.8~3.5V, IO=350mA:
Dmin 
VO (min)  0.7V
VIN (max)
Dmax 
 0.094
VO (max)  0.7V
VIN (min)
 0.205
Выбранное TOFF должно превышать:
TOFF (min)  TON (min) 
1  Dmin
 7.71s
Dmin
Выбираем TOFF=15µs. Тогда индуктивности дросселей:
L1 
VIN (max)  TOFF
2I O
 8.6mH
L2 
VO  0.7V  TOFF
0.4  I O
 450H
Дроссель L2 должен быть расчитан на ток 1.2·IO=0.42A, а L1 – на ток
Dmax·IO=72mA. Заметим, что насыщение L1 не приводит к
аварийному режиму ввиду запирания диода D2.
40
40
Полупроводниковые элементы
Диоды D1 и D2 должны быть рассчитаны на обратное напряжение Vr,
равное максимальному входному напряжению VIN(max). Обратное
напряжение на диоде D3 вообще говоря равно напряжению на С1:
VC (max)  VO (max) VIN (max)  41V
Однако, необходим определенный запас по напряжению на D3,
связанный с выбросом напряжения на выходе GND U1 в результате
перераспределения заряда между паразитными емкостями по входу и
выходу каскода.
Максимальное напряжение Q1 в выключенном состоянии HV9967
равно:
VDS (max)  VIN (max)  VC (max) VGS (OFF )(min)  440V
41
41
Эквивалентная схема (без демпфирования)
L1
Передаточная функция
разомкнутой петли:
L1  Io
Vg
G ( s) 
1  s 2  L1  C1
1 s 
IL
D·Vg
Коэффициент по постоянному
напряжению равен:
VC
VC
Vo
dv
C1
D·Io
a
b a/b
D
G(0)  1
Резонансный полюс:
O 

L1 C1
D

1
Ноль в правой комплексной полуплоскости (RHPZ):
 RHP 
Vg
L1  Io
42
42
Vo
Vc  dv
ЛАФЧХ без демпфирования
дБ
Коэффициент усиления
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
o
1

RHP
L1 C1
Vg
L1 Io
0дБ
0.01
0.1
1
10
Фазаω/ωo
0
-50
Град.
-100
-150
-180
-200
Неустойчивость
-250
-300
0.01
0.1
1
ω/ωo
43
43
10
Неустойчивость при низком входном напряжении
VIN=85B
Напряжение на С1
44
44
Эквивалентная схема (с демпфированием)
Передаточная функция
разомкнутой петли:
L1
L1  Io
1 s 
Vg
G( s) 
L1 n  1 2
1 s 

 s  L1C1
Rd n
IL
где
D·Vg
id
VC
Rd
C1
D·Io
Cd
VC
Cd
n
4
C1
Vo
dv
a
b a/b
D
Полагаем коэф. затухания:
 
n 1 1
L1 1



n 2  Rd C1 2
Полагаем также:
Тогда:
(критическое демпфирование)
RHP  O
L1 Io2
C1 
 0.1F
Vg 2
Rd 
n  1 L1

 367
n
C1
45
45
Cd  n  C1  0.4F
ЛАФЧХ с демпфированием С1
Коэффициент усиления
5
0дБ
0
дВ
-5

RHP
Vg
L1 Io
-10
o
-15
1
L1 C1
-20
-25
-30
0.01
Фаза
0.1
1
10
ω/ωo
0
-50
Град.
-100
=45
-150
-180
-200
-250
-300
0.01
0.1
1
ω/ωo
46
46
10
ПРЕИМУЩЕСТВА HV9967:
• ПРЕДЕЛЬНАЯ ПРОСТОТА СХЕМНОГО РЕШЕНИЯ
• ВЫСОКАЯ ТОЧНОСТЬ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА
• МНОГООБРАЗИЕ СХЕМ ПРИМЕНЕНИЯ:
Низковольтный (60В) понижающий преобразователь;
Каскодное соединение с DN2450 до 500В;
Квадратичный конвертер
• ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРЕВА
• ЗАЩИТА ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
• ШИМ РЕГУЛИРОВКА ТОКА
• МИНИАТЮРНЫЙ КОРПУС MSOP-8
47
47