Практическая реализация светодиодного драйвера на микросхеме LNK306

Автор: KomSoft, kom_soft@ukr.net
Опубликовано 11.04.2017
Создано при помощи КотоРед.

Немного истории вопроса

Сейчас на рынке широко представлены светодиодные лампы, которые принято называть и считать энергосберегающими. На самом деле бесплатный сыр только в мышеловке, поэтому дешевые лампы на самом деле энергосберегающими не являются. Одна из причин этого - конденсаторный блок питания и экономия на всем. Некоторые товарищи, купив такие лампы, потом приносят их мне на починку. Одну из них (описаную в самом низу) после ремонта я хотел зажать (или "отжать") себе, но измерив потребляемый ток, вернул хозяину со словами "заберите свою энергосберегайку" (т.к. при заявленой мощности 3Вт она потребляла около 21Вт!).  

Поскольку приезжающие из Китая трансформаторные драйвера тоже горят, хотя и редко (в основном при бросках напряжения) в силу опять же, своей минималистичности, я решил разобраться, что могу собрать сам - простое и ремонтопригодное. Что-нибудь недорогое и не содержащее сложных моточных деталей. Поскольку я для себя собирал "Блок питания для одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входных напряжений на LNK304" [1], остановился на этом семействе микросхем. Почитал даташит, поискал готовые решения - не нашел. Зато нашел обзорно-рекламную статью "Высокоэффективный светодиодный драйвер на микросхеме LNK306PN" [2] и началось...

Для начала приведу основные моменты из статьи (если честно, то почти ее половину), перевод Геннадий Бандура:

Микросхема - LNK306PN (LNK304PN), производитель - Power Integrations, по материалам Департамента по применению.

• Применение - светодиодный драйвер
• Выходная мощность - 11 Вт
• Входное напряжение - 85 - 265 VAC
• Выходное напряжение - до 554 В
• Топология - Вооst

Особенности дизайна:

• Постоянный выходной ток (идеально для светодиодных применений)
• Высокий уровень выходного напряжения позволяет использовать одну цепочку светодиодов и не делить мощность между несколькими цепочками
• Защита от КЗ, разрыва цепи нагрузки и перегрева
• Высокий КПД (>80%)
• Компактный, недорогой, малое число компонентов
• Не требуется трансформатор
• Соответствует EN55022B

Рис. 1

Схема на рис.1 использует микросхему LinkSwitch-TN для обеспечения на выходе напряжения 554V с током 20 mA. Данная схема идеальна для использования в качестве светодиодного драйвера.

Резистор RF1 обладает функцией вставки плавкой, которая защищает источник питания от критических неисправностей. Кроме того, он позволяет избежать броска тока при подаче переменного напряжения. Диод D1 выпрямляет полупериод входного переменного напряжения. C2, C3 и L2 формируют П-образный фильтр для снижения уровня наведенных ЭМИ.

Во время того, как транзистор LNK306PN открыт, ток нарастает через дроссель L1, что позволяет запасти в нем энергию.

При закрытии транзистора в U1, полярность L1 меняется, D2 открывается и ток течет в С1 и нагрузку. Диод D2 - это высоковольтный диод класса Ultra-fast. C1 работает как выходной фильтр. VR1, VR2, VR3 - обеспечивают выходное напряжение не более 600V при разрыве цепи нагрузки. Конденсатор С5 и резистор R2 формируют снабберную цепь для снижения наведенных ЭМИ.

 Ключевые точки дизайна:

• Диод D2 должен быть типа Ultra-Fast с trr<75ns, например MUR160, UF4007, HER108
• RF1 должен быть проволочным и огнебезопасным
• С2 и С3 можно значительно уменьшить при использовании мостового входного выпрямителя
• Емкость С4 должна быть расположена как можно ближе физически к выводу Source и BP микросхемы U1
• LNK306PN в данной схеме может быть заменена на LNK304PN без ущерба для характеристик.

 Поехали!

(Небольшое отступление. Писал это все для себя и дописывал по мере изготовления ламп. Когда решил опубликовать, то уже немного "перегорел" - поэтому будет немного сумбурно. Часть несущественных рисунков удалил, но нумерацию оставил, чтобы не запутаться)

После сборки (ремонта-переделки-попытки вставить стабилизацию тока) бестрансформаторного конденсаторного блока питания светодиодного светильника в очередной раз офигел от низкого КПД. 

Рис. 4

Результаты измерений: светодиоды 6 шт. 5630 Natural White 3,2-3,4В / 150мА(макс). Перемножением получаем 0,5Вт на светодиод или 3Вт вся лампа (что соответствует надписи на колбе). Схема настроена на 100мА, т.е. 2Вт (или 6*3,3*0,1=1,98Вт) - это закачивается в светодиоды. А потребляет от сети 120мА, что при 220В дает 220*0,12=26,4Вт !!! Т.е. КПД = 7-8%.

Разработка и изготовление "Блока питания для одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входных напряжений на LNK304" показала его высокую эффективность по сравнению с конденсаторным. Блок уже пару лет трудится на даче в трехфазной розетке, выдерживая соседские сварки, скачки и проседания. Напомню, что схема блока такая:

Рис. 5

КПД вместе с потребляемым от сети током впечатляет, даже с учетом возможной погрешности измерения тестером DT-5808:

Datasheet на LNK304-LNK306 для питания светодиодов предлагает такую референсную схему:

Рис. 6

И примерно оттуда же - более конкретную

Рис. 7

Такая схема выбрана, потому что она fail-safe - обеспечивает защиту нагрузки - отсутствие напряжения на ней при пробое силового транзистора (за счет встречного включения диода D1 и диодов моста D4 - нумерация по рис.8).

Цепочка VR1-D4 - чтобы при обрыве светодиодов напряжение на выходе не улетало в космос. Напряжение емкости С4 здесь более разумное - 10В. Учитывая, что V_FB=1.65В, то напряжение на резисторе R3 не должно подниматься выше 1,9В.

Остановлюсь подробнее на расчете токозадающего резистора Rsence=R3! На рис. 6 (напомню, он из даташита) видим загадочную формулу Rsence=2V/Io, а по рис. 7 исходя из выхода 12,5В и тока 0,1А такого не получается. Логически подумав, видим что Rsence завязан на V_FB и номиналы R1-R2. Поэтому получается, что

Rsence = V_FB * ( 1 + R2 / R1 ) / Iout

Подставив значения из схемы, получим R3=1.65 * (1 + 300/2000) / 0.1 = 18.9 Ом, что близко к указаному в схеме. Кстати, если вернуться к рис. 1, то получим Rsence=R1(рис.1)=554/0,02=82,5 Ом. Что подтверждает эти выводы.

От этого и нужно оттолкнуться, повторив ключевые точки дизайна (позиционные обозначения элементов скорректированы под рис.8):

• Диод D1 должен быть типа Ultra-Fast с trr<75ns, например MUR160, UF4007, HER108
• RF1 должен быть проволочным и огнебезопасным
• С4 и С5 можно ставить относительно небольшой емкости при использовании мостового входного выпрямителя (возьмем эмпирически 1мкФ на 1 Вт выходной мощности)
• Емкость С1 должна быть расположена как можно ближе физически к выводу Source и BP микросхемы U1

Получилась вот такая схема:

Рис. 8

Мощность резистора R3 при таких номиналах приближается к 0,25 Вт, а именно - 0,1А*0,1А*20Ом=0,2Вт. Поэтому при изменении тока через светодиоды - пересчитать по известной формуле и, при необходимости, поставить несколько параллельно. 

Напряжение стабилитрона D3 нужно выбрать немного больше, чем рабочее напряжение на цепочке светодиодов HL1...HLn.

Сразу хочу предупредить, что микросхема выпускается в 3-х типах корпусов DIP-8B, SMD-8B и SO-8C, которые отличаются расположение выводов. "Блок питания..." я делал на мс в корпусе SMD-8B, а сейчас пришли микросхемы в корпусе SO-8C.

ВНИМАНИЕ! Схемы не имеют гальванической развязки с сетью. Будьте осторожны! Наладку и измерения проводить, запитав схемы через развязывающий трансформатор.

Плата нарисована под корпус от энергосберегайки диаметром 45мм. Полигон возле S-выводов микросхемы сделать побольше для охлаждения.

Разъем XP2 - технологический (для измерений и экспериментов), он не нужен. Стабилитрона в smd исполнении не было, впаял обычный. 

Кстати, на этой плате "+" светодиодов ошибочно вытравлены возле катодов!!! На рисунке вверху - исправлено.

Результаты измерений (приведены в таблице) по входному току китайским мультиметром DT-5808 и нашим В7-46/1 сильно отличаются, поэтому по рекомендациям из какого-то форума вся схема запитана через диодный мост и конденсатор 68мкФ*400В постоянным напряжением (током). 

Наиболее достоверными представляются последние два результата, практические одинаковые для обоих приборов. И КПД 83% при этом соответствует заявленому в даташите на микросхему.

Вызывает опасения нагрев светодиодов и соответственно всей платы в целом. Очень желательна установка на радиатор (в смысле в другом конструктиве). Сколько проработает - посмотрим.

Светодиодов можно брать и больше, соединив их последовательно (или параллельно, как на примере Рис.7). Я для экспериментов брал 10 шт. из-за отсутствия подходящего радиатора в габарите компактного светильника. Если делать линейный светильник, то можно количество увеличить - судя по рис.1 до 160 шт (напряжение 554В).

Этап 2. Теперь переделаем вот такую лампу (покупалась на Ali за $1.5 давно, из информации осталось только WarmWhite 5W Non Dimmable).

На плате маркировка ТА-0220, схема минималистична до безобразия, нумерация соответствует плате. Обратите внимание, что при обрыве (перегорании) светодиода напряжение во вторичной цепи подскочит до 300В, что приведет к взрыву конденсатора C2 и повреждению резисторов, поскольку 0805 расчитаны на 150В.

Измерения токов и напряжений показали следующее (измерения на постоянном токе по первичке не проводились, т.к. не будет работать конденсаторный блок питания), результаты двух тестеров практически совпадают:

Вот и имеем такую"энергосберегайку":

• заявлено - 5Вт, мощность светодиодов (ток по даташитам 50мА, макс. 150) - 10*(0,05-0,15)А*3В=1,5-4,5Вт;
• измереная мощность светодиодов - 1,25 Вт;
• потребляемая мощность - 11 Вт;
• КПД - 10% (как у лампы накаливания!);

Переделаем ее по вышеприведеной схеме на LNK306, установив ток 57мА резистором R3=33Ом (такой был). Плата сделана двусторонней "под свечу". Сплошная заливка на чистой стороне платы - для экономии хлорного железа при травлении.

 Светодиоды запаиваются симметрично по разным сторонам платы, чтобы светили в разные стороны. Плата является радиатором, поэтому в такой конструктив много светодиодов не поставишь.

В самом корпусе традиционно просверлены 8 отверстий для охлаждения (облегчения теплового режима конструкции), а заодно срезан и кончик "свечи" для сквозного вертикального потока воздуха.

Результаты измерений прибором В7-46/1 (через минуту после включения, при прогреве естественно немного плывут). Потребление измерено на постоянном токе (после дополнительного моста и конденсатора):

Результат - увеличение КПД с 11 до 70% и снижение потребляемой мощности с 11 до 2,2Вт - существенная разница! Теперь это можно называть энергосберегайкой.

По свечению заметной разницы нет (переделанная лампа - слева, с отверстиями), отличия только в потребляемой мощности.

Вторая такая же лампа переделана с заменой светодиодов на 5630 и установкой резистором R3=22ом тока 86мА (чуть больше половины от максимального). Максимальная мощность (по светодиодам) - 10*0,5=5Вт.

Лампа по второму варианту - справа (белый нейтральный свет)

Светит ярче, чем предыдущая, но после 15-20 мин. работы начала отключаться, скорее всего по перегреву, т.к. в том же габарите мощность в два раза больше. После экспериментов отпаяна половина светодиодов, а именно - с основной платы, чтобы уменьшить нагрев микросхемы регулятора. Т.е. оставлено 6 светодиодов (на дополнительной плате). После этого работает нормально.

Этап 3. С чего все начиналось... Третья лампа переделана из такой, вот ее мне носили три раза.

Почти как у платы ТА-0220: Конденсаторный блок, состоящий из диодного моста, емкости на 1,5мкФ, резистора и фильтрующего электролита на 400В! Судя по всему, при неудачном стечении обстоятельств (когда гасящий конденсатор еще не разрядился, а напряжение подали снова, напряжение на светодиодах может подскочить до двойного напряжения в сети. Короче, когда мне ее принесли третий раз с выгоранием всех(!) светодиодов одновременно, переделал и ее. Светодиоды на родной плате, драйвер отдельно.

Замеры не проводил, поскольку принципиальных отличий от предыдущих вариантов нет.

Проверки "на вшивость".

В процессе изготовления и тестирования схема была в силу моей легкой криволапости естественным путем ненавязчиво проверена на:

• Обрыв выходной цепи - это когда я собирая лампу "свеча", дополнительную плату припаял светодиодами встречно.
• КЗ на выходе - когда измерил напряжение в режиме тока (т.е. замкнув выход шунтом мультиметра).

И то, и то схема перенесла без свето-шумовых эффектов. Причем пока я понял, в чем дело, включал-выключал ее несколько раз... В режиме "обрыва" напряжение на выходе поднялось до 50В, что следует учесть при установке выходного электролита. После устранения ошибки - работала как новая!

Подведем итоги.

• Таким образом замечательная LNK306 позволяет кроме блоков питания создавать эффективные драйвера для светодиодов с КПД 83% (а возможно и более), питая их стабилизированым током примерно до 350мА и(или) создавая цепочки до 150 светодиодов.
• Микросхема обеспечивает ток до 120мА (для LNK304) и до 360мА (для LNK306). Поэтому их можно использовать для светодиодов 3528, 5630 и попробовать LNK306 для светодиодов 1Вт (300мА). К сожалению, для 3Вт светодиодов ее не хватит.
• Практически проверено создание простого светильника из 10-ти светодиодов с током 100 мА. Все схемы стабильно запустились после сборки, продемонстрировали устойчивость к обрыву выходной цепи, КЗ на выходе и перегреву.
• Не содержит уникальных моточных узлов (трансформаторов), а используются стандартные дроссели на гантельке.
• Легко настраивается на нужные параметры выхода (напряжение/ток)
• Обязательно нужно позаботиться о надлежащем охлаждении светодиодов и самой микросхемы (платы с ней).

Недостатком даных схем можно считать отсутствие гальванической развязки. Т.е. использовать их можно только в закрытом корпусе, исключающим касание руками, лапами, носами и хвостами. Но то же недостаток имеют и конденсаторные блоки питания.

Литература

1. Блок питания для одно- и трехфазной сети с широким диапазоном входных напряжений на LNK304
2. Высокоэффективный светодиодный драйвер на микросхеме LNK306PN
3. Описание микросхем LNK304-306 LinkSwitch-TN Family (datasheet)

Файлы:
Схемы и платы в формате OrCAD
Плата драйвера (не зеркалить)

Все вопросы в Форум.