Драйвер led своими руками: Светодиодный драйвер своими руками — легко и просто

LED драйвер (driver) для светодиодов – схема, характеристики, как подобрать

Светодиодная иллюминация является относительно новым и перспективным направлением в обустройстве интерьеров и экстерьеров. При этом большая ответственность заключается в выборе комплектующих для такого искусственного источника. Правильно выбранная электроника, к которой относится и led driver, обеспечивает долговечную и бесперебойную эксплуатацию всего комплекса приборов.

Особенности работы

Схема светодиодного подключения подразумевает наличие источника тока постоянного типа. Соответственно к имеющимся лентам нужен источник питания не 220 В электросети, а значительно меньший уровень постоянного тока. Привести все к норме помогает led driver – специальный выпрямитель.

Для каждой цепи характерны физические параметры:

• своя мощность, Вт;
• сила тока, А;
• напряжение, В.

Поэтому необходимо рассчитать и выбрать соответствующий светодиодный драйвер. Нередко пользователи сталкиваются с тем, что готов проект схемы подключения, имеются в наличии светодиоды, а подобрать или купить оптимальный драйвер питания светодиодов нет возможности.

Фактически блок питания представляет собой небольшой по габаритам прибор, выдающий на контактах установленное производителями напряжение и силу тока. В идеале эти параметры не зависят от применяемой к нему нагрузки.

Подключение двух резисторов параллельно

Зная законы физики, можно рассчитать, что при подключении к источнику тока с напряжением 12В потребителя с сопротивлением 40 Ом (в качестве последнего может выступать резистор), то по цепи будет протекать 0,3 А. Если же в схеме будет участвовать пара таких параллельных резисторов, то ампераж поднимется до 0,6 А.

Подключение резистора 40 Ом

Драйвер для светодиода работает на поддержание стабильной силы тока. Значение напряжения в таком случае способно варьироваться. При подключении к нему во время выдачи 0,3 А резистора на 40 Ом, потребитель будет питаться напряжением в 12 В. Если же добавить параллельно второй резистор, то напряжение упадет до 6 В, а сила тока останется 0,3А.

При подключении 2-х резисторов ток будет 300А, а напряжение 6В

Самые лучшие драйверы светодиодов обеспечивают любой нагрузке установленный производителями параметр тока, ни взирая на значительное падение напряжения. При этом потребители при опускании значения напряжения до 2 В и получении 0,3 А будут такими же яркими, как и при 3 В и 0,3 А.

Параметры для выбора

Грамотно выбрать драйвер для светодиодной ленты помогают технические параметры изделия. Одним из них является мощность. Она рассчитывается для любого источника питания. Мощность напрямую зависит от параметров компонентов и их количества. Допустимое максимальное значение указано на лицевой стороне упаковки или тыльной части самого изделия.

Мощность для силовых источников обязательно подбирается большей, чем имеющееся значение цепи. В противном случае произойдет повышение температуры блока.

Также обращаем внимание на силу тока и напряжение. Каждый завод маркирует свои изделия, указывая номинальный ампераж. Для светодиодов своими силами подбираем соответствующий светодиодный драйвер. Наиболее популярными являются диоды, потребляющие 0,35 А или 0,7 А. При этом ленты производители предлагают 12 В либо 24 В. Маркировка на блоках питания проводится в виде напряжения и мощности.

Так как драйверы для светодиодов могут располагаться сейчас в любых условиях, то важно обратить внимание на влагозащищенность и класс герметичности.

Нередко приходится применять диоды во влажных условиях, например рядом с бассейном или непосредственно в нем. Тогда требуется обращать внимание на показатель IP, который указывает защиту от проникновения влаги. Значение IPX6 демонстрирует возможность временного затопления, а IPX9 позволяет выдерживать значительное давление.

ВИДЕО: Светодиоды — питание (LED-драйверы)

Варианты подключения

Разберем несколько примеров, как подобрать драйвер для светодиодов. Можно разобрать все на схеме из шести диодов. Они могут подключаться несколькими способами, давая нужный результат.

Последовательно

В подобном случае выбираем источник с 12 В напряжения и током 0,3 А. Основное достоинство метода заключено в том, что по всему контуру к потребителям поступает равный ампераж. При этом все элементы испускают одинаковую яркость. Минусом подключения является необходимость при значительном увеличении диодов иметь в наличии источник с большим номинальным напряжением.

Параллельно

В такой ситуации достаточно светодиодного драйвера, выдающего на контактах 6 В. Однако, ток, который потреблять будет схема повысится в два раза до 0,6 А в сравнении с аналогичным последовательным подключением. Минусы заключаются в том, что токи протекающие для каждого участка, физически будут иметь отличия из-за физических параметров диодов. В результате получится небольшая разница в свечении участков.

Последовательно парами

В данных схемах, собранных своими руками, можно воспользоваться помощью драйверов для светодиодов, аналогичных параллельному соединению. При этом установится яркость равная для каждого участка цепи. В схеме имеется существенный минус. Он очевиден, так как при старте из-за небольших отличий в характеристиках какие-то элементы запустятся раньше других. В это время по ним станет поступать ток удвоенного номинала. Производители допускают кратковременное превышение значения, но применять на практике данную схему все же не рекомендуется. Перед тем, как подобрать драйвер для светодиодов, необходимо оценить все риски.

Соединять подобным образом более двух диодов ни в коем случае нельзя, ведь по каким-то из них пойдет чрезвычайно большой ампераж, что приведет к мгновенному выходу их из строя.

В приведенных примерах светодиодный драйвер брался в каждом случае с мощностью в 3,6 Вт. Это значение не влияло на способы подключения. Исходя из реального примера видно, что подбирать источник питания необходимо в процессе приобретения диодов. Вероятность выбора на следующих этапах существенно снижает шансы найти нужный блок.

Классификация элементов

На прилавках можно обнаружить два основных типа драйверов для светодиодов:

• импульсный тип
• линейный.

Первые являются приборами, обеспечивающими на выходе каскад импульсов высокой частоты. Последнее поколение их использует принцип широтно-импульсной модуляции. Фактически усредненный параметр силы тока рассчитывается как отношение ширины импульса к их периоду. Параметр определяется коэффициентом заполнения.

Импульсные ориентированы на продуцирование высокочастотных импульсов тока

Линейные на выходе обеспечивают значение от генератора тока. Формируется стабилизация тока, а напряжение будет вариабельным. Все настройки проводятся в плавном режиме без образования электромагнитных высокочастотных помех. Даже при относительно небольшом КПД (около 85%) и простоте конструкции их сфера деятельности ограничивается маломощными лентами или светодиодными лампами.

Линейные для подключения лед-элементов

ШИМ-драйверы являются более широко популярными из-за своих позитивных эксплуатационных характеристики:

• длительный срок работы;
• КПД до 95%;
• минимальные габариты.

Минусом для последних является высокий уровень помех, в отличие от линейных.

Дифференцируются драйверы по наличию или отсутствию гальванической развязки. В первом случае обеспечивается больший КПД, повышенная надежность и достаточная безопасность.

Для подключения к стандартной электросети светодиодов могут использоваться и тот, и другой тип драйверов, но преимущественными являются именно те, где есть гальваническая развязка. Именно она отвечает за безопасную эксплуатацию ламп. Если таковой развязки нет, всегда есть риск поражения током.

Срок эксплуатации

Даже сами производители заявляют о том, что драйвер служит меньше, чем оптика. Если последняя рассчитана на 30 тысяч часов, то выпрямитель в лучшем случае проработает 1000 часов. Связан такой разрыв во времени со следующими обстоятельствами:

• перепады напряжения в электросети как в большую, так и в меньшую сторону более чем на 5%;
• разница рабочей температуры в процессе работы;
• повышенная влажность, если речь идет о таких помещениях;
• интенсивность – чем больше работает и меньше выключается, тем длительнее срок работы.

Первое, что принимает на себя основной удар — сглаживающий конденсатор, у которых при повышенной влажности, температуре и при скачках напряжения начинает интенсивно испаряться электролит. При его недостатке уровень пульсаций увеличивает, что и приводит к выходу из строя лед-драйвера.

Но самое интересное, что сокращает срок работы неполная загруженность. Если вы купили элемент на 150 ватт, а нагрузка не превышает 70, оставшиеся 80 будут возвращаться в сеть и провоцировать ее перегруз. Всегда правильно выбирайте рабочие элементы, чтобы максимально сопоставить эффективность и реальные условия.

ВИДЕО: Простой источник питания для светодиодов

Схема драйвера для светодиодов 220

Для того чтобы светодиодные лампы работали максимально ярко и эффективно, используются специальные модули – драйверы. Собрать самостоятельно схему драйвера для светодиодов сможет каждый, если, конечно, имеются познания в электротехнике. Смысл работы прибора – преобразовать переменное напряжение, протекающее в сети, в постоянное (пониженное). Но прежде чем приступать к сборке, нужно определиться с тем, какие требования к устройству предъявляются – проанализируйте характеристики и виды приборов.

Для чего нужны драйверы?

Основное назначение драйверов – это стабилизация тока, который проходит через светодиод. Причем нужно учесть, что сила тока, который проходит по кристаллу полупроводника, должна быть точно такой же, как и у светодиода по паспорту. Благодаря этому обеспечивается устойчивое освещение. Кристалл в светодиоде намного дольше прослужит. Чтобы узнать напряжение, необходимое для питания светодиодов, нужно воспользоваться вольт-амперной характеристикой. Это график, показывающий зависимость между напряжением питания и током.

Если планируется проводить освещение светодиодными лампами жилого или офисного помещения, то драйвер должен питаться от бытовой сети переменного тока с напряжением 220 В. Если же светодиоды используются в автомобильной или мототехнике, нужно использовать драйверы, питающиеся от постоянного напряжения, значение 9-36 В. В некоторых случаях (если светодиодная лампа небольшой мощности и питается от сети 220 В) допускается убрать схему драйвера светодиода. От сети если запитано устройство, достаточно включить в схему постоянный резистор.

Параметры драйверов

Прежде чем приобрести устройство или самостоятельно его изготовить, нужно ознакомиться с тем, какие у него имеются основные характеристики:

1. Номинальный ток потребления.
2. Мощность.
3. Выходное напряжение.

Напряжение на выходе преобразователя напрямую зависит от того, какой выбран способ подключения источника света, числа светодиодов. Ток имеет прямую зависимость от яркости и мощности элементов.

Преобразователь должен обеспечивать ток, при котором светодиоды будут работать с одинаковой яркостью. На PT4115 схема драйвера светодиодов реализуется довольно просто – это самый распространенный преобразователь напряжения для использования с LED-элементами. Изготовить прибор на его основе можно буквально «на коленке».

Мощность драйвера

Мощность прибора – это самая важная характеристика. Чем мощнее драйвер, тем большее число светодиодов можно подключить к нему (конечно, придется проводить простые расчеты). Обязательное условие – мощность драйвера должна быть больше, чем у всех светодиодов в сумме. Выражается это такой формулой:

Р = Р(св) х N,

где Р, Вт – мощность драйвера;

Р(св), Вт – мощность одного светодиода;

N – количество светодиодов.

Например, при сборке схемы драйвера для светодиода 10W вы можете смело подключать в качестве нагрузки LED-элементы мощностью до 10 Вт. Обязательно нужно иметь небольшой запас по мощности – примерно 25%. Поэтому, если планируется подключение светодиода 10 Вт, драйвер должен обеспечивать мощность не менее 12,5-13 Вт.

Цвета светодиодов

Обязательно нужно учитывать то, какой цвет испускает светодиод. От этого зависит то, какое падение напряжения будет у них при одинаковой силе тока. Например, при токе питания 0,35 А, падение напряжения у красных LED-элементов примерно 1,9-2,4 В. Мощность в среднем 0,75 Вт. Аналогичная модель с зеленым цветом будет уже иметь падение в интервале 3,3-3,9 В, а мощность 1,25 Вт. Поэтому, если вы применяете схему драйвера светодиода 220В с преобразованием в 12 В, к нему можно подключить максимум 9 элементов с зеленым цветом или 16 с красным.

Типы драйверов

Всего можно выделить два типа драйверов для светодиодов:

1. Импульсные. С помощью таких устройств создаются в выходной части устройства высокочастотные импульсы. Функционирование основывается на принципах ШИМ-модуляции. Среднее значение тока зависит от коэффициента заполнения (отношения длительности одного импульса к частоте его повторения). Ток на выходе меняется за счет того, что коэффициент заполнения колеблется в интервале 10-80%, а частота остается постоянной.
2. Линейные – типовая схема и структура выполнены в виде генератора тока на транзисторах с р-каналом. С их помощью можно обеспечить максимально плавную стабилизацию питающего тока в случае, если напряжение на входе неустойчиво. Отличаются дешевизной, но у них малая эффективность. При работе выделяется большое количество тепла, поэтому можно использовать только для маломощных светодиодов.

Импульсные получили большее распространение, так как у них КПД намного выше (может достигать 95%). Устройства компактные, диапазон входного напряжения достаточно широкий. Но есть один большой недостаток – высокое влияние различного рода электромагнитных помех.

На что обратить внимание при покупке?

Покупку драйвера обязательно нужно совершать при выборе светодиодов. На PT4115 схема драйвера светодиодов позволяет обеспечить нормальное функционирование системы освещения. Устройства, использующие ШИМ-модуляторы, построенные по схемам с одной микросхемой, применяются по большей части в автомобильной технике. В частности, для подключения подсветки и ламп головного освещения. Но качество у таких простейших приборов довольно низкое – для использования в бытовых системах они не годятся.

Диммируемый драйвер

Практически все конструкции преобразователей позволяют регулировать яркость свечения LED-элементов. С помощью таких устройств можно выполнять следующие действия:

1. Уменьшать интенсивность освещенности днем.
2. Скрывать или же подчеркивать определенные элементы интерьера.
3. Зонировать помещение.

Благодаря этим качествам можно существенно сэкономить на электроэнергии, увеличить ресурс элементов.

Разновидности диммируемых драйверов

Типы диммируемых драйверов:

1. Подключаются между БП и источником света. Они позволяют управлять энергией, которая поступает на LED-элементы. В основе конструкции находятся ШИМ-модуляторы с микроконтроллерным управлением. Вся энергия идет к светодиодам импульсами. От длины импульсов напрямую зависит энергия, которая поступит на светодиоды. Такие конструкции драйверов применяются в основном для работы модулей со стабилизированным питанием. Например, для лент или бегущих строк.
2. Второй тип устройств позволяет проводить управление блоком питания. Управление производится при помощи ШИМ-модулятора. Также изменяется величина тока, который протекает через светодиоды. Как правило, такие конструкции применяются для питания тех устройств, которым необходим стабилизированный ток.

Нужно обязательно учесть тот факт, что ШИМ-регулирование плохо влияет на зрение. Лучше всего использовать схемы драйверов для питания светодиодов, в которых регулируется величина тока. Но вот один нюанс – в зависимости от величины тока свечение будет различным. При низком значении элементы будут излучать свет с желтым оттенком, при увеличении – с синеватым.

Какую микросхему выбрать

Если нет желания искать готовое устройство, можно сделать его самостоятельно. Причем произвести расчет под конкретные светодиоды. Микросхем для изготовления драйверов довольно много. Вам потребуется только умение читать электрические схемы и работать с паяльником. Для простейших устройств (мощностью до 3 Вт) можно использовать микросхему PT4115. Она дешевая, и достать очень просто. Характеристики элемента такие:

1. Регулирование яркости.
2. Напряжение питания – 6-30 В.
3. Выходной ток – 1,2 А.
4. Допустимая погрешность при стабилизации тока – не более 5%.
5. Защита от отключения нагрузки.
6. Выводы для диммирования.
7. КПД – 97%.

Обозначение выводов микросхемы:

1. SW – подключение выходного коммутатора.
2. GND – отрицательный вывод источников питания и сигнала.
3. DIM – регулятор яркости.
4. CSN – датчик входного тока.
5. VIN – положительный вывод, соединяемый с источником питания.

Варианты схем драйверов

Варианты исполнения устройств:

1. Если имеется источник питания с постоянным напряжением 6-30 В.
2. Питание от переменного напряжения 12-18 В. В схему вводится диодный мост и электролитический конденсатор. По сути, «классическая» схема мостового выпрямителя с отсечением переменной составляющей.

Нужно отметить тот факт, что электролитический конденсатор не сглаживает пульсации напряжения, а позволяет избавиться от переменной составляющей в нем. В схемах замещения (по теореме Кирхгофа) электролитический конденсатор в цепи переменного тока является проводником. А вот в цепи постоянного тока он заменяется разрывом (нет никакого элемента).

Собрать схему драйвера светодиодов 220 своими руками можно только в том случае, если использовать дополнительный блок питания. В нем обязательно задействован трансформатор, которым понижается напряжение до необходимого значения в 12-18 В. Учтите, что нельзя подключать драйверы к светодиодам без электролитического конденсатора в блоке питания. При необходимости установки индуктивности необходимо произвести ее расчет. Обычно величина составляет 70-220 мкГн.

Процесс сборки

Все элементы, которые используются в схеме, нужно подбирать, опираясь на даташит (техническую документацию). Обычно в нем приводятся даже практические схемы использования устройств. Обязательно использовать в схеме выпрямителя низкоимпедансные конденсаторы (значение ESR должно быть низким). Применение иных аналогов снижает эффективность регулятора. Емкость должна быть не менее 4,7 мкФ (в случае использования схемы с постоянным током) и от 100 мкФ (для работы в цепи переменного тока).

Собрать по схеме драйвер для светодиодов своими руками можно буквально за несколько минут, потребуется только наличие элементов. Но нужно знать и особенности проведения монтажа. Катушку индуктивности желательно располагать возле вывода микросхемы SW. Изготовить ее можно самостоятельно, для этого необходимо всего несколько элементов:

1. Ферритовое кольцо – можно использовать со старых блоков питания компьютеров.
2. Провод типа ПЭЛ-0,35 в лаковой изоляции.

Старайтесь все элементы располагать максимально близко к микросхеме, это позволит исключить появление помех. Никогда не проводите соединения элементов при помощи длинных проводов. Они не только создают множество помех, но и способны принимать их. В результате микросхема, неустойчивая к этим помехам, будет работать неправильно, нарушится регулировка тока.

Вариант компоновки

Разместить все элементы можно в корпусе от старой лампы дневного света. В ней уже все имеется – корпус, патрон, плата (которую можно повторно использовать). Внутри расположить все элементы блока питания и микросхему можно без особого труда. А с внешней стороны установить светодиод, который планируете запитывать от устройства. Схемы драйверов для светодиодов 220 В можно использовать практически любые, главное – понизить напряжение. Сделать это легко простейшим трансформатором.

Монтажную плату желательно использовать новую. А лучше вообще обойтись без нее. Конструкция очень простая, допустимо применить навесной монтаж. Обязательно удостоверьтесь в том, что на выходе выпрямителя напряжение в допустимых пределах, в противном случае микросхема сгорит. После сборки и подключения произведите замер потребляемого тока. Учтите, что в случае снижения тока питания увеличится ресурс светодиодного элемента.

Тщательно выбирайте схему драйвера для питания светодиодов, рассчитывайте каждый компонент конструкции – от этого зависит срок службы и надежность. При правильном подборе драйверов характеристики светодиодов останутся максимально высокими, а ресурс не пострадает. Схемы драйверов для мощных светодиодов отличаются тем, что в них большее число элементов. Зачастую применяется ШИМ-модуляция, но в домашних условиях, что называется, «на коленке», такие устройства уже сложно собрать.

Цепь драйвера светодиода питания

Создание мощного самостоятельного светодиодного драйвера мощностью 150 Вт для управления большими осветительными панелями

Большинство моих недавних проектов было направлено на создание световой панели с высоким CRI (индексом цветопередачи) для кинематографии. Видеосветовая панель хорошего качества стоит дорого, и на то есть веские причины, но как производитель я предпочитаю покупать вещи, а не просто покупать их.

Моя цель состояла в том, чтобы собрать панель мощностью 300-320 Вт. Однако я пришел к выводу, что ограничение панели с таким количеством светодиодов заключается не в их управлении, а в переплавке платы. Типичная недорогая самодельная установка оплавления с переделанным тостером/печью для пиццы или сковородой просто не может вместить доску такого размера. Чтобы иметь возможность оплавлять плату, я строю печь оплавления в паровой фазе, которая будет иметь максимальный размер платы 230 мм на 180 мм в качестве еще одного проекта. Из-за этого я решил вместо этого разделить панель на две панели по 150-160 Вт. Это также должно дать мне некоторую дополнительную гибкость, так как теперь я могу разделить панели, чтобы предложить более творческие варианты освещения, не потребляя больше энергии. Я все еще планирую использовать все от блока питания 350 Вт 48 В, чтобы обе панели питались от одного и того же источника 48 В.

Этот проект доступен на GitHub, и вы можете свободно использовать его по своему усмотрению. Если вам нужны компоненты, используемые в проекте, вы можете найти их в моей библиотеке Altium Designer с открытым исходным кодом.

Я хочу использовать Luminus Devices MP-3030-210H-40-95 для световых панелей. Это белый мощный светодиод с индексом цветопередачи 95 и прямым напряжением 6 вольт. Я хочу использовать максимально возможное напряжение, чтобы уменьшить потери и максимально снизить ток, тем самым уменьшив нагрев светодиодной панели. При поиске блока питания переменного/постоянного тока в диапазоне 300-400 Вт блок питания 48 В является самым дешевым у поставщиков, которых я использую.

В предыдущем проекте я пытался увидеть, как далеко может зайти монолитная микросхема драйвера, и 65 Вт действительно подталкивали ее, поэтому для моего окончательного решения драйвера я знаю, что мне нужен контроллер с внешними полевыми МОП-транзисторами.

Перебрав множество драйверов, я остановился на Analog Devices LT3756EMSE-2. Мало того, что он выглядит так, как будто у него отличная производительность, он также является очень хорошей отправной точкой для дизайна, упомянутого в одном из справочников по дизайну.

Я посмотрел на запуск драйвера, который может работать как в режиме понижения, так и в режиме повышения, в зависимости от того, какой из режимов обеспечивает лучшую производительность. В понижающем режиме драйверу требовалось 32 параллельных цепочки светодиодов для достижения желаемого напряжения, а это означало, что мне требовались компоненты с высоким номинальным током. Компоненты с более высоким номинальным током стоят дороже, чем компоненты с более высоким номинальным напряжением, поэтому я собираюсь использовать режим форсирования, который я изначально планировал.

Драйвер рассчитан на выходное напряжение 100 В, поэтому я планирую подключить 16 светодиодов последовательно, чтобы получить 96 В на цепочку. Это должно дать мне нагрузку 1,8 А для привода.

Резисторы измерения тока

LT3756EMSE-2 имеет два резистора измерения тока для контроля нагрузки.

Первый резистор, значение которого мне нужно рассчитать, включен последовательно со светодиодом для программирования тока через светодиод. Контроллер светодиодов определяет падение тока на этом резисторе, расположенном на стороне высокого напряжения цепочки светодиодов. Драйвер ожидает падение на этом резисторе на 100 мВ, а поскольку я хочу подать 1,8 А в каждой цепи, небольшое применение закона Ома говорит мне, что мне нужен резистор на 56 мОм.

Резистор второго датчика имеет формулу в таблице данных, а для повышающих резисторов это

Когда я подставляю свои значения, это дает мне резистор 20 мОм.

Этот чувствительный резистор используется для установки максимального тока переключения.

Я собираюсь использовать для конструкции резисторы размером 2512. Они могут более чем справиться с током, а большой корпус поможет рассеивать тепло, сохраняя температуру моей платы.

Делители напряжения

Микросхема также имеет два интересующих нас делителя напряжения, первый из которых представляет собой типичный делитель блокировки при пониженном напряжении, отключающий драйвер, когда напряжение на выводе падает ниже 1,22 В. Я устанавливаю это значение на 40 В для этого драйвера, так как я хочу допустить некоторое падение напряжения при включении драйвера до того, как регулятор AC-DC сможет наверстать упущенное. Функция плавного пуска LT3756 должна помочь уменьшить просадку напряжения при включении панели, убедившись, что напряжение ниже моего минимального установленного значения является явным признаком того, что что-то не так работает на регуляторе.

Второй делитель — это настройка выходного напряжения. Для этого я стремлюсь к 1,25 В на выводе. Я устанавливаю делитель на 96 В, что гарантирует, что драйвер не сможет превысить номинальное значение 100 В, при этом позволяя светодиодам работать на полной мощности.

Частота переключения

Есть несколько соображений относительно частоты переключения в этой конструкции, в первую очередь размер компонентов и тепловыделение от управления затвором полевых МОП-транзисторов. Более низкие частоты переключения позволят драйверу оставаться намного холоднее, поскольку ему не нужно подавать столько энергии на полевой МОП-транзистор, если он не быстро включает и выключает затвор. Более низкая частота, как правило, более эффективна, но также требует более крупных компонентов. Я хотел бы, чтобы эта конструкция была очень эффективной, чтобы уменьшить количество тепла на плате, а также убедиться, что мне не нужно переходить на большой источник питания переменного/постоянного тока, чтобы иметь дело с неэффективной конструкцией. Светодиодная панель сама по себе будет довольно большой, а печатные платы дешевы, поэтому я не слишком беспокоюсь о размере платы драйвера для этого приложения.

Последнее соображение касается рабочего цикла. Если я хочу использовать диммирование с разрешением 3000:1, на которое способен драйвер, мне потребуется большой запас по минимальному времени включения драйвера, что также обеспечит более низкая частота переключения.

Учитывая, сколько факторов подталкивает меня к низкой частоте переключения, я рассмотрел несколько вариантов катушки индуктивности и обнаружил, что самая низкая частота переключения, подходящая для выбора катушки индуктивности, составляет около 250 кГц. Если я пойду ниже этого, я не смогу найти подходящие катушки индуктивности у своих постоянных поставщиков.

Катушка индуктивности

Значение катушки индуктивности выбирается вместе с частотой коммутации. Существует много итераций взад и вперед, чтобы выбрать их вместе, чтобы убедиться, что дизайн выполним для источника деталей.

В техническом описании есть следующая формула для номинала катушки индуктивности:

Что дает мне

Правда, я решил эту задачу немного по-другому. Я искал максимальное значение, которое я мог найти для катушки индуктивности в практичном корпусе для поверхностного монтажа, чтобы рассчитать частоту переключения. Когда я узнал, что частота не будет работать, я решил соединить две катушки индуктивности последовательно, как это делал проект. Это, в свою очередь, позволило мне выбрать катушку индуктивности 47 мкГн, что близко к идеалу для конструкции на 250 кГц. Затем я убедился, что частота 250 кГц подходит для других конструктивных ограничений, установленных в техническом описании.

Это оставляет меня с огромной катушкой индуктивности Wurth WE-HCF 7443634700, которая выдерживает минимальный ток насыщения 5 А, сохраняя при этом низкое сопротивление постоянному току. Две из этих катушек индуктивности 47 мкГн идеально соответствуют требованиям по индуктивности, а ток насыщения 8,5 А значительно выше минимального. При сопротивлении постоянному току 12,2 мОм они не должны перегреваться. Не говоря уже о том, что большой корпус также обеспечивает большую тепловую массу и действует как радиатор.

Переключение МОП-транзисторов

Согласно техническому описанию, наша главная забота о мощных полевых МОП-транзисторах будет заключаться в заряде затвора и напряжении сток-исток (VDSS). Я также хочу упаковку, с которой относительно легко иметь дело в количествах прототипов DIY. Хотя в техническом описании сопротивление RDS-ON не слишком упоминается, я не уверен, сколько медной площади у меня будет для отвода тепла, поэтому я также хочу, чтобы это значение было низким. В принципе, я хочу иметь все это без жертв!

Существует не так уж много полевых МОП-транзисторов, отвечающих моим требованиям, поэтому я решил использовать Infineon BSC060N10NS3GATMA1. Прежде чем я подтвержу свой выбор, мне нужно убедиться, что микросхема драйвера справится с этим, поскольку заряд затвора, возможно, является основным недостатком MOSFET при 68 нКл. К счастью, я выбрал низкую частоту переключения, которая снижает ток, необходимый для управления затвором. Я также решил использовать пакет MSOP вместо QFN, так как MSOP имеет тепловое сопротивление (θJA) 43°C/Вт, что является более благоприятным по сравнению с 68°C/Вт QFN.

Мы можем рассчитать температуру перехода, создаваемую при возбуждении полевого транзистора, по формуле из таблицы данных. Я удалил параметр температуры окружающей среды, поэтому мы просто видим фактическое повышение температуры.

Драйвер может обеспечить максимальный ток покоя 1,5 мА, поэтому я буду использовать его в уравнении. С другими уже известными параметрами я получаю:

С драйвером, готовым работать при 125°C, это дает мне максимальную температуру окружающей среды/платы около 77°C. Драйвер выключится при температуре 165°C, позволяя плате достичь примерно 117°C, прежде чем мы перейдем к отключению из-за перегрева. Я бы не ожидал, что температура окружающей среды превысит 77°C, так как на светодиодной панели будут установлены вентиляторы, которые также будут охлаждать плату драйвера.

Схема драйвера светодиодов высокой мощности

После расчета всех значений схему очень легко нарисовать. Самая большая проблема — просто попытаться сделать его разборчивым и понятным.

Пути утечки и зазоры

Поскольку я имею дело с напряжением 100 В на плате, я хотел добавить правила утечки и зазоры для конструкции платы, чтобы гарантировать, что все пойдет не так, как в конструкции из-за компонентов или дорожек, расположенных слишком близко к друг друга под высоким напряжением.

Если вы читали другие мои проекты, то знаете, что я люблю онлайн-калькуляторы. Я использую Creepage.com для расчета требований к зазору и пути утечки для платы. Мой расчетный зазор составляет 0,5 мм, а путь утечки должен быть 1,4 мм. Учитывая зазор 0,195 мм между штырями корпуса MSOP, это больше, чем мне бы хотелось, поэтому я выбрал вариант «плата с покрытием», который снижает требования к пути утечки до всего 0,2 мм. Конформное покрытие значительно упростит добавление в области платы, где у меня есть путь утечки менее 1,4 мм, чем если бы я проектировал плату для больших требований к утечке.

Учитывая требования к зазору и пути утечки, я добавляю директиву набора параметров к каждой цепи на схеме.

Я использую стиль Tiny, чтобы символ оставался маленьким. Сети с более низким потенциалом (такие как земля) и сети с относительно низким напряжением получают имя класса цепей «LP», в то время как сети с высоким напряжением добавляются к классу цепей, называемому «HV».

После размещения параметра вы можете использовать кнопку добавления в окне свойств, чтобы добавить класс цепей.

То же самое повторяется для сетей с низким потенциалом.

Добавив все компоненты на плату, я пытаюсь прикинуть схему расположения компонентов. Для конструкции, которая переключает довольно большую мощность, очень важно, чтобы токовая петля была как можно меньше, чтобы уменьшить электромагнитные помехи и обеспечить хорошую работу драйвера.

Эта плата будет состоять из четырех слоев. Несмотря на то, что это простая схема, я не хочу разрезать нижний слой для логических дорожек, чтобы обеспечить хороший тепловой путь для земли. Верхний слой не будет особенно эффективен для тепловых целей, так как будет разбит на большие многоугольники для проведения тока. 4-слойная плата не требует больших дополнительных затрат по сравнению с 2-слойной и обеспечивает хороший тепловой путь. Верхний внутренний слой также будет иметь сплошное заземление, обеспечивая защиту от высоких токов на верхнем слое и не создавая проблем с логическими сигналами на нижнем внутреннем слое. Кроме того, эта заземляющая пластина также поможет отвести часть тепла от микросхемы драйвера.

После нескольких макетов, которые меня не очень удовлетворили, я остановился на черновом макете ниже.

Я не большой поклонник того, что входной разъем (вверху справа) находится так далеко от регулятора, поэтому я добавлю много переходных отверстий вокруг заземления, чтобы обеспечить хороший обратный путь. Прежде чем я слишком увлекусь компоновкой, мне нужно установить правила утечки и зазора для высоковольтных цепей.

Для питания я использую коннекторы JST PH, так как для них легко найти предварительно обжатые кабели (серия JST KH). Штыри для разъемов рассчитаны только на 1 ампер, поэтому, чтобы удовлетворить требования схемы, я использую 3 контакта для земли и 3 контакта для напряжения. Я рассматривал возможность использования чего-то вроде цилиндрических разъемов, припаянных непосредственно к плате, но разъемы JST PH будут работать хорошо и доставят гораздо меньше хлопот при сборке.

Создание правил утечки и зазора

Первое, что нам нужно, это новое правило для расстояния утечки. Вы можете перейти к правилам, перейдя в Дизайн -> Правила.

Я добавляю в проект новое правило пути утечки.

В свойствах нового правила я вижу свой расчетный путь утечки 0,2 мм (с конформным покрытием!). Обычно вы ожидаете, что правило утечки будет намного выше, чем правило зазора.

Затем мы можем сделать то же самое для зазора с расчетным минимальным расстоянием 0,5 мм.

Проблема с этими правилами заключается в том, что любой след, исходящий от водителя, будет немедленно нарушать правило, поскольку невозможно выполнить требования по разрешению.

На данный момент у меня есть несколько вариантов:

• Создайте правила для каждого исключения, чтобы четко определить, что может нарушать общее правило.
• Оставьте все как есть и тщательно проверяйте каждое нарушение правил проектирования, прежде чем подписывать проект.
• Создайте комнату для локального исключения.

Использование комнат для создания локальных исключений

Должен признаться, я не так часто использую комнаты в своих проектах, как следовало бы. Если вы смотрели другие мои проекты, то могли заметить, что я отключил генерацию комнат на уровне проекта для большинства дизайнов. Однако создание локализованных исключений из правил — это тот случай, когда комнаты действительно удобны!

По умолчанию комната автоматически содержит любой объект, находящийся в ней. Для большинства объектов это означает, что весь объект должен находиться в пределах комнаты, однако для переходных отверстий это означает, что только центр переходного отверстия должен находиться на границе комнаты или в ее пределах. Я нашел это очень удобным позже в процессе планировки, чтобы ограничить размер комнаты.

Для начала я добавлю новую комнату. Для моих целей здесь мне просто нужна прямоугольная комната. Область, в которой мне нужно исключение, довольно мала и не требует сложной геометрии, как это позволяет полигон.

После размещения комнаты и присвоения ей имени «ClearanceException» мне нужно добавить новое исключение из правила очистки.

Я мог бы также добавить сюда новое правило утечки, чтобы я мог просто использовать конформное покрытие на самой микросхеме и иметь общее требование к утечке тока 1,4 мм для платы — однако для этого проекта я не чувствую, что мне нужно это делать. . Вы можете использовать тот же самый процесс, что и исключение для правила зазора, чтобы создать правило утечки, если вам нужно сделать это для ваших собственных проектов.

Я не мог вспомнить точный запрос, который нужно использовать для определения того, находится ли объект на доске в комнате или нет, к счастью, окно Query Helper имеет его в разделе «Проверки членства».

Наше исключение очистки затем имеет пользовательский запрос для WithinRoom(‘ClearanceException’) и проверку InNetClass.

При этом я устанавливаю зазор на 0,19 мм. Подушечки на посадочном месте имеют зазор 0,195 мм, поэтому 0,19 мм должны удовлетворять требованиям правил проектирования.

Наконец, мне нужно убедиться, что приоритет правила правильный. Исключения из правил всегда должны быть первыми. Чем шире область действия правила, тем ниже оно должно быть в списке приоритетов.

Оглядываясь назад на свою печатную плату с проделанной первоначальной разводкой, я вижу, что мои ярко-зеленые нарушения исчезли.

Я буду сокращать комнату по мере продвижения макета, чтобы он покрывал только те части, к которым нужно применить исключение.

Продолжение компоновки

Теперь, когда на меня не смотрят ужасные нарушения правил, я могу продолжить компоновку и маршрутизацию. Как обычно в проектах высокой мощности, я начинаю с «разводки» платы с помощью полигонов. Я решил использовать скругленные многоугольники для этой платы в основном для развлечения, но это действительно служит определенной цели — для цепей с более высоким напряжением твердый угол — это место для потенциального разряда, если паяльная маска немного тонкая или повреждена. Учитывая качество паяльной маски даже на самых дешевых платах, я должен признать, что в конечном итоге это в основном эстетический выбор.

Я поместил логический сигнал на нижний внутренний слой (середина 2) и попытался как можно меньше повредить нижнюю медную область, чтобы она могла служить хорошим большим радиатором для драйвера. Я попытался максимизировать медную площадь каждого верхнего полигона, который также будет отводить тепло.

Мой окончательный макет имеет много переходных отверстий, многие из которых, вероятно, излишни. Я большой поклонник перебора. В верхней части доски нет насыпи грунта, так как это бесполезно. Он не будет проводить много энергии или служить щитом для любых следов.

Моделирование питания

В прошлом я писал отдельные статьи о моделировании сетей распределения электроэнергии для этого типа проекта, однако для этого проекта я просто хочу провести быструю проверку, поэтому я включу его в эта статья. Я моделирую только самый минимум, поэтому моя сеть питания довольно проста.

Глядя на плотность тока заземления и дорожки распределения питания, максимальное значение составляет 35 А/мм2, что намного ниже, чем мы видели на других платах. Этого должно быть более чем достаточно, а также уменьшить потери тепла на плоскостях, сохраняя температуру всей платы.

Несмотря на быструю настройку симуляции, знание того, что на этой плате нет сумасшедших точек с точки зрения плотности тока, является хорошим спокойствием.

Окончательные характеристики доски

Чтобы сделать эту доску пригодной для производства, мы должны убедиться, что на доске есть реперные точки для машины для захвата и размещения, которую можно использовать. Чтобы плату можно было использовать, ее необходимо прикрепить к корпусу. Я добавил монтажные отверстия M3, так как простое использование зажимов из корпуса не идеально, учитывая вес катушек индуктивности. Из-за нехватки места в верхней части платы для крепежного винта я сделал вырез в контуре платы, который обеспечит достаточную площадь контакта для винта, чтобы плата не могла двигаться

Я думаю, что финальная плата выглядит неплохо. Я с нетерпением жду следующей разработки светодиодной панели и объединения всех моих последних проектов в законченный продукт.

Как упоминалось ранее, вы можете найти файлы дизайна для этого проекта на GitHub. Его можно использовать по своему усмотрению для любых целей в соответствии с лицензией MIT.

Это будет очень мощный драйвер светодиодного освещения, способный управлять более чем 100 мощными светодиодами. Учитывая напряжения на плате, если вы решите построить ее самостоятельно, вам следует считать конформное покрытие обязательным.