Изготовление LED-драйвера, управляемого ШИМ-сигналом. Продираясь через лукавство готовых решений.

При приведении ремонта перед автором встал насущный вопрос приобретения точечных светильников и возникло желание сделать их управляемыми для взаимодействия с голосовым помощником в умной колонке.

Если подходящая конструкция (мой обзор на PlusPda) и качественные диодные сборки подходящей мощности с честным CRI 95, которые бы не сгорали от номинальной мощности через несколько месяцев, нашлись на Али (вариант мощнее и больше), то естественное желание автора купить готовую платку, с контактом «External PWM» и получить линейное изменение тока, пропорциональное коэффициенту заполнения ШИМ, не увенчалась успехом. Было принято решение найти достойную микросхему-токовый драйвер для входного напряжения до 40В и запитать точечные светильники от готового народного блока питания Suswe, напряжением 36В., с переделанной обратной связью, чтобы выходное напряжение составляло 38В.

Преамбула

Разных драйверов LED на Али просто навалом, но найти управляемый оказалось нетривиальной задачей. После недельного поиска автором нашлись единственные в своем роде (буду рад, если кто-то представит еще релевантные результаты поиска по теме) платки низковольтных LED-драйверов.

1) 3W DC IN 7-30V OUT 700mA LED lamp Driver Support PMW DimmerDC-DC 7.0-30V to 1.2-28V Step Down Buck Converter Module

И каково же было было мое разочарование, когда по приезду товара, потянувшись за даташитом на микросхему преобразователя, обнаружил нерегулируемую XL4001e1.
Вход EN — это вход выключения выходного тока, при подаче на него логической единицы.

Однако, как нерегулируемые драйверы, платки можно считать отличными за копеечную цену. Хороший КПД в 91%, входной и выходной конденсаторы 220мкФ х 35В, дроссель с запасом по току насыщения и диод SS14.

2) Лиха беда начало, подумал я и перешел в другую ценовую категорию, начав рассматривать платки не по 100 руб/шт, а по 287 руб (на момент покупки).
LD48AJTA светодиодный модуль драйвера 72 Вт 1/2/3A 6-50 В постоянного тока

На этот раз я был осмотрительнее и предварительно для модуля LD48AJTA качественные фотографии вида сверху, где я смог рассмотреть название микросхемы-драйвера PT4123e
Заветный вход DIM есть, на него подается ШИМ-сигнал. Бинго?

Ничего не предвещало беды, но по приезду оказалось, что выходной ток крайне нелинейно зависит от коэффициента заполнения ШИМ, первые 30% вообще не реагируя на выходной ток, а потом регулируя его в пределах 35% от максимального заявленного. Это явно не входило в мои планы, хотя драйвером и можно получить стабилизированный выходной ток большой мощности без пульсаций — входной, выходной конденсаторы 100мкФ х 63В, диод SS56 и дроссель на колечке достойных размеров. В целом за 300 руб при такой мощности приемлемая платка, если не учитывать регулировку ШИМ-сигналом, а выходной ток нормально задается резистором обратной связи.

Хотя вот же в даташите они приводят нормальную реакцию на внешний ШИМ-сигнал.
Может китайцы, что-то напутали, а скорее всего, это давняя беда драйверов производства PowTech. Взять хотя бы широко распространенный PT4115E, хороший обзор которого есть на этом сайте.

Автор пришел к аналогичному выводу о нелинейности выходного тока при изменении напряжения на управляющем выходе

Но «меня терзают смутные сомнения», т.к. у Гайвера получилось собрать рабочий стабилизатор, нормально управляемый ШИМ-сигналом. Может, дело в оригинальности микросхем?

Ну что же, C'est La Vie, будем искать выход.

Ищем решение

Итак, мне нужен импульсный драйвер, обеспечивающий светодиоды напряжением до 40В при токе до 650мА со входом управления внешним ШИМ-сигналом. При этом нужен КПД выше 90% и линейная зависимость тока от коэффициента заполнения ШИМ. Конечно, лучше использовать понижающую топологию с питанием напрямую от сети и через оптопару управлять ШИМ с контроллера, так будет выше КПД и меньше накладных расходов на преобразование, нежели использовать низковольтный (46В) БП и питать DC-DC LED-драйверы от него. От обратноходовой топологии придется отказаться, т.к. мотать дома накопительный дроссель с тремя обмотками мне не с руки. Хочется максимально технологичного и простого решения.

Первая пришедшая в голову мысль, это старинная Supertech (их купил Microchip) HV9961, но она уже очень старая, у нее низкий коэффициент мощности и еще нужен внешний полевик, что зазря удорожает конструкцию.

Смотрим, что у есть у китайских товарищей — идем на сайт bpsemi.com, в конфигураторе выбираем необходимые параметры и нам идеально подходит bp2306HK и пусть у нее максимальный ток составляет 350мА (на момент моих изысканий я еще не закупил встраиваемые светильники с COB D 19мм, ток которых 650мА).

На момент моих изысканий на Али не нашлось лота с небольшим количеством данных микросхем для пробы — пришлось покупать в отечественном ЧипДип с конской переплатой. Но заставить стабильно и беспроблемно запуститься мне не удалось, хотя я долго и упорно пытался. Обратная связь, судя по осциллограммам, не отрабатывает как надо, как я ни бился. Может, микросхемы были с браком, а скорее виновата политика bpsemi, которая приводит только скудные даташиты без аппноутов. Обидно, но этот вариант тоже отпадает.

Тут я решил, что надо диверсифицироваться и рассмотреть DC-DC LED-драйверы, там и дроссель можно не мотать, а поставить готовый, не нужна оптопара для развязывания от микроконтроллера. И опять идем на сайт bpsemi и в конфигураторе находим BP1371 40В 1.2А драйвер с простой схемой включения.

Даташит на него крайне скудный, но нам поможет даташит на сходную микросхему от той же фирмы BP1361. В частности выходной ток обратно пропорционален номиналу шунта. Нужно только экспериментально выяснить коэффициент пропорциональности. Для этого быстро оперативно разводим первую версию платы, с помощью фоторезиста оживляем ее в стеклотекстолите и убеждаемся, что коэффициент пропорциональности равен 0.0825. Т.е. выходной ток равен

Iвых = 0.0825 / Rш

Подходящие низкоомные резисторы 0805 рекомендую брать с этого лота.

Подготовка к разводке печатной платы

Если развести плату импульсного преобразователя напряжения неверно, можно столкнуться с рядом проблем — от низкого КПД и нестабильности тока до широкого спектра выдаваемых в нагрузку помех.

Для правильной разводки нужно учитывать токи, протекающие в разных фазах работы ключевого элемента. Вот две фазы работы понижающего (как в нашем случае) преобразователя.

В фазе накачки за счет открытого транзистора VT1 по красному контуру течет ток и происходит запасание энергии в катушке Lф и конденсаторе Сф.

В фазе разряда транзистор закрыт и катушка Lф выступает в качестве источника тока. VD1 – диод, который необходим для протекания обратного тока.

Ниже приведены временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке.

Наша задача — добиться тока на нагрузке, максимально приближенному к ровной линии, чтобы коэффициент пульсаций светового потока свелся на нет. И при этом не забывая о соразмерности трат на комплектующие.

Схема и разводка платы

Хотя и люблю Easyeda как инструмент для работы над несложными или некоммерческими проектами, однако будем работать в Altium Designer.


За основу взята схема с даташита, добавлен фильтрующий конденсатор по выходу — с большим запасом по емкости и посадочное место для двух резисторов обратной связи по току — R1, R2. Для получения максимального КПД диод Шоттки выбран «впритык» по обратному напряжению.

Можно было бы предусмотреть RC-фильтр на входе ШИМ-сигнала, но это я предпочитаю оставлять на стороне микроконтроллера.

Траектория тока в фазу накачки.
Траектория тока в фазу разряда.

Учитывая эти траектории будем, разводить плату, не давая разгуляться импульсным токам.

Траектория тока в фазу накачки. Наверняка в месте входного конденсатора можно было сделать лучше, но и так вполне приемлемо.
Траектория тока в фазу разряда. Контур хороший.

Плата получилась компактной, двухсторонней. Можно заказывать в компании-производителе печатных плат. У меня это был JLCPCB. За 50 плат с доставкой в российский город я заплатил около 900 рублей. Качеством плат я остался доволен.

Gerber-файлы платы лежат в расшаренной папке в облаке.

Инструментарий тестирования

Лабораторным оборудованием мне будет служить:
1) БП с цифровым управлением Riden RD6012w (печатал корпус еще до появления собственного принтера за баснословные деньги). Подключаю по Wi-Fi и пользуюсь официальным ПО. Очень удобно, нареканий нет.

2) Контрольный мультиметр Aneng AN870 — тоже нареканий нет. После Vici VC97 — небо и земля.

3) Электронная нагрузка Atorch DL24MP С распечатанным каркасом для крепления экрана и энкодера (за наводку спасибо обзору ув. kirich).
Единственное, что с тех пор Atorch немного продвинулся в области софта. Есть облако, где хранятся все последние версии ПО. Оттуда из папки берем последнюю прошивку версии 2 и прошиваемся последней версией ПО ATORCH-DC Load PC Software V2.0.8, в которой настраиваются цвета и в целом исправлено много мелких недоработок по сравнению с первой версией.
Однако, на форуме eevblog я набрел на замечательное ПО для электронных нагрузок и мультиметров «Test controller», которое полностью поддерживает мой прибор. Оно гораздо удобнее и функциональнее официального ПО.
Функционал настолько богатый, что я провел несколько самозабвенных вечеров, изучая все его скриптовые возможности и сопрягая с Ардуиной.

На таких небольших токах (до 1А) нет смысла задействовать 4-х проводную схему подключения электронной нагрузки (с отдельными проводниками измерения напряжения).

Проверим, насколько расходятся показания нагрузки по току с контрольным прибором.
Доли процента (по напряжению аналогично), поэтому смело учитываем показания нагрузки в своих расчетах.

Тесты преобразователя

Платы с запаянными компонентами.

Сначала я предполагал, что все 9 светильников в спальне будут с COB на одинаковое падение напряжения. Потом опытным путем пришел к выводу, что нужно 3 сделать мощнее (по центру) — там использовались COB 1919 на 600мА, а 6 шт. по краям — COB 1313 на 300мА. Первые я эксплуатировал на токе 450мА (падение напряжения на этом токе 34В), а вторые — на номинальных 300мА (падение напряжения 22В).

Я решил проверить:
1) в каких пределах меняется КПД преобразователя при изменении входного напряжения на нагрузке с падением напряжения 22В и при токе 300мА.
2) при каком значении емкости выходного сглаживающего конденсатора коэффициент пульсаций тока нагрузки становится неприемлемым.

В основе светодиода лежит диод или набор диодов, и, судя по вольт-амперной характеристике синего светодиода, протекающий ток экспоненциально зависит от приложенного напряжения. У сборок (COB), где светодиоды соединены матрично, экспонента не такая крутая. Из вышесказанного следует очевидный вывод, что для нормальной работы светодиода, его нужно запитывать от источника стабилизированного тока с напряжением, выше, чем падение на светодиоде при таком токе.

А моделирование работы светодиода нагрузкой — это разряд на постоянном напряжении (падением напряжения в 1-1.5В за счет тепловых процессов на светодиоде можно пренебречь).

Но сначала проверим стабильность тока на при Uвх=30В, ΔVнагр=22В и Iнагр=0.3А. На протяжении часа.
Дрейф тока в 2мА на 300мА — это хороший результат. Ни один компонент преобразователя при этом не нагревается в ощутимых кожей пределах (о КПД ниже).

Я пробовал делать преобразователи на данной микросхеме на ток от 450мА до 650мА и применять на COB с ΔV 35В — там получал КПД 96% и аналогичный дрейф тока на данной топологии платы.

Замер КПД на разных входных напряжениях

Будем ступенчато, с интервалом в 120сек, подавать напряжение от 24В до 38В с шагом в 1В и записывать их Test controller в .csv файл. Т.к. локальное время на обоих устройствах идентичное, можно не беспокоиться за расхождение данных по времени. Это облегчит построение итогового графика зависимости КПД преобразователя от Uвх.


Из графика видно, что наибольший КПД достигается при минимальной разнице входных и выходных напряжений (все же 24В ему мало для уверенной работы, а вот 25 — в самый раз). Отсюда и 95%, которые держатся до 30В. Далее начинаются «ступеньки», говорящие о работе внутренней логики преобразователя. В целом ниже 90% мы не опускаемся, а это уже неплохо.

Теперь надо проверить разброс Iвых в зависимости от Uвх.
Ток линейно снижается вплоть до падения на 6%. В целом это приемлемо, но сдается мне, что при дросселе с большей удельной мощностью сердечника падение было бы меньше, заодно и КПД в плохих участках повыше. Давайте проверять.

У меня стояли 47uH размера CD32, поставим 47uH размера CD54
Вот они в наглядном сравнении.

Сначала о КПД. Преобразователь стал нормально работать начиная с Uвх 24В и немного повысил свой КПД на остальных участках.

Линейность снижения тока наблюдается уже дальше, с 30В. Абсолютное максимальное снижение тока — 4%, что нормально для такой разницы ΔVсветодиода и Uвх.

Исследование пульсаций тока в зависимости от емкости сглаживающего конденсатора

Согласно ГОСТ Р 54945-2012 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности» формула подсчета пульсаций светового потока
Где Еср — среднеквадратичное значение освещенности.

Т.к. световой поток светодиодов пропорционален стабилизированному току их питающему, то оценивать мы будем пульсации тока через светодиоды.

Для этого последовательно с диодами включаем резистор на несколько Ом (у меня 5.45 Ом) и смотрим пульсации напряжения осциллографом, учитывая постоянную составляющую напряжения на резисторе известного сопротивления. И соотносим в процентах с измеренным током.

Здесь уже можно обходиться без электронной нагрузки и просто контролировать ток мультиметром.

Теперь в ход пошел осциллограф.

Входной электролит 220мкФ х 50В, Uпит=30В (т.к. в наличии конденсаторы на 35В), Iвых~0.3А (в зависимости от выходной емкости будет немного дрейфовать). Будем ступенчато набирать емкость по нарастающей и следить за пульсациями.

Сначала посмотрим без выходного конденсатора, только с входным. Китайцы очень часто так делают в дешевых светильниках.

Кп = (AY-BY)/2/Rms * 100% = 1.38/2/1.66 * 100% = 42%
Не спас даже относительно небольшой ток в 300мА.

Навешиваем на выход конденсатор в 6.8мкФ.
Амплитуда пульсаций упала почти в 4 раза!
Кп = 0.28/2/1.63 * 100% = 8.6%
Емкость работает.

Соединяем последовательно два конденсатора по 100мкФ (какие есть в наличии), получаем 50мкФ
Еще в 3 раза упала амплитуда пульсаций!
Кп = 0.08/2/1.6 * 100% = 2.5%
А это уже приемлемо.

Пробуем 100мкФ.
Амплитуда уменьшается еще почти в два раза.
Кп = 0.048/2/1.6 * 100% = 1.5%

Установка электролита на 220мкФ дала пульсации в 24мВ, что приравнивает Кп к 0.75% и на этом я остановился, ради интереса безуспешно поэкспериментировав с установкой танталовых конденсаторов и керамики.

Работа под управлением ШИМ

Нареканий никаких нет. Ардуино отлично управляет данной микросхемой, ток меняется четко и держится стабильно. При нулевой скважности сигнала полный ноль на выходе. При 100% — все 100%, а в промежутке все пропорционально скважности.

Вместо заключения

Проделанной работой я доволен, теперь мой умный дом пополнился хорошо работающими управляемыми голосом (посредством Яндекс-станции и Node-Red) светодиодными светильниками с обратной связью по освещенности на моем рабочем столе.