👩🏼 😞 💇🏻 برنامج تشغيل LED بتكلفة BOM أقل من 1 دولار. هل هو ممكن؟ 🧖 💟 👨🏽‍⚖️

تطوير محرك الصمام هو مهمة مثيرة للاهتمام ومعقدة. السوق في هذا الاتجاه مشبع للغاية - في بعض الأحيان يبدو أن إنتاج مصابيح LED في كل مكان. بدءا من المرآب وتنتهي بمصانع ضخمة. أما بالنسبة للسائقين ، فإن العمالقة مثل Philips أو Meanwell من جهة ، والصينيون ذوو المظهر الجيد مثل Moso و Billion من ناحية أخرى ، والصينيون بدون اسم في الثالث ... في ظل هذه الظروف ، تتم إضافة مهمة تحسين المنتج للسعر إلى المكونات الهندسية (الدوائر والتصميم).

لذلك ، أنا أتحدث عن تطوير محركات LED مع وجود قيود كبيرة على سعر المكونات.

في مقالتي السابقة ، قمت بإجراء تحليل صغير لمتطلبات معدات LED ، وكذلك الوثائق التنظيمية التي تصف هذه المتطلبات. حان الوقت للحديث عن التطوير. كما تعلمون ، "بدون المعارف التقليدية - النتيجة غير متوقعة" ، سنبدأ من هذا.

متطلبات المعارف التقليدية

جهد التغذية 230 ± 10٪
استهلاك الطاقة 15 وات
جهد الخرج: 110 - 120 فولت
عزل كلفاني: غير مطلوب
تموجات تيار خفيف: لا يزيد عن 5 ٪
الكفاءة المضيئة: لا تقل عن 100lm / W
عامل الطاقة: 0.9 على الأقل (احسب أيضًا خيار 0.5)
قيود التصميم: ارتفاع العنصر 14 مم ، الحد الأقصى SMD (إن أمكن).
تكلفة مكونات برنامج تشغيل LED: لا تزيد عن 1 دولار

تحليل خيارات دارات السائق

فكر في خيارات التنفيذ.

الخيار بدون KKM. في هذه الحالة ، بما أن جهد الخرج هو 110-120 فولت ، فأنت بحاجة إلى عمل محول باك. عند إدخال محول التيار الكهربائي ، ومقوم ومكثف تخزين ، سيعطي هذا جهدًا ثابتًا (تموج) يبلغ حوالي 310 فولت. من أجل توضيح ما تتم مناقشته بشكل أكثر وضوحًا ، سأقدم فيما يلي لكل خيار أمثلة على الدوائر المصغرة التي يمكن من خلالها تنفيذ الهيكل المدروس. أمثلة على الدوائر المصغرة لمحول تنازلي بدون KKM: LM3444 ، HV9910B ، HV9961 ، BP2831.

مرحلة واحدة مثبتة KKM / التيار.خيار عندما توفر مرحلة واحدة من التحويل استهلاك التيار الجيبي واستقرار التيار لخط LED. أمثلة على الشرائح: TPS92074 ، BP2366 ، PT6917. هناك خيارات غريبة مثل HV9931.

سائق الخط. خيار عندما يتم توفير التثبيت الحالي من خلال تبديد جزء من الطاقة على المنظم (عن طريق القياس مع مثبت خطي). أمثلة على رقائق NSI45090 و FAN5640 و PT6913 و BCR402 و BP5131.

مرحلتين: PFC + مثبت التيار.المرحلة الأولى هي تعزيز KKM ، وبعد ذلك يتم الحصول على جهد ثابت من 380-400V على مكثف التخزين. محول باك المرحلة الثانية مع الاستقرار الحالي. نظرًا لأن هذا الحل يستخدم عادةً لمحركات LED الأكثر قوة ، يتم استخدام شريحة بمفتاح خارجي عادة للمرحلة الأولى (KKM) ، على سبيل المثال ، NCP1650 ، UCC38051 ، LT1249.

مرحلة واحدة مع KKM السلبي مثل "تعبئة فالي". KKM من هذا النوع هو مخطط معروف إلى حد ما ~~في دوائر ضيقة~~ ، سأكتب عنه بمزيد من التفصيل أدناه.

استخدم عامل تصفية نشط.هذا ليس خيارًا مستقلاً ، ولكنه إضافة إلى أحد الخيارات ، مما يسمح بتقليل تيار الموجة ، وبالتالي ، تموج تدفق الضوء. يمكن تنفيذ مرشح نشط سواء على التأثير الميداني أو على ترانزستور ثنائي القطب. مثال للدائرة:

هناك أيضًا دوائر صغيرة خاصة لهذا الغرض ، على سبيل المثال ، BP5609 ، JW1210.

هناك خيارات أخرى لبناء برامج تشغيل LED ، على سبيل المثال ، محول flyback أو سائق خطي مجزأ ، لا يتم اعتبارها ، لأنها من الواضح أنها لا تتناسب مع متطلبات المواصفات الفنية.

لسهولة التحليل ، يتم تلخيص إيجابيات وسلبيات الخيارات التي تم النظر فيها في الجدول:

نوع السائق	الايجابيات	السلبيات
الخيار بدون KKM (باك)	لا يوجد الكثير من العناصر أرخص وأكثر إحكاما. في وجود المنحل بالكهرباء عند المدخل ، يمكن توفير تموج منخفض للضوء.	PF منخفضة.
(APFC-buck)	➔ , . PF.	20-30%.
	➔ . . .	➔ , . PF.
	➔ . PF. . TRIAC-.	➔ , . 100%.
(boost PFC+buck)	PF. .	محولين elements عناصر أكثر ➔ أغلى ثمناً.
مرحلة واحدة + تعبئة الوادي	مصحح VF أبسط من APFC الكامل أرخص ، وأكثر إحكاما من مرحلتين.	ينبض جهد الخرج VF ، بحد أدنى للقيمة Uin / 2. من الصعب الحصول على PF أفضل من 0.9. غير مناسب للحلول القوية.
تطبيق مرشح نشط	يسمح بتقليل تموج الضوء.	يبدد الكفاءة ➔ تفاقم الكفاءة.

قليلا عن تصحيح وادي الوادي

قبل التحليل واختيار الخيارات ، تحتاج إلى شرح موجز لما هو مصحح سلبي لملء Valley. يبدو المخطط كما يلي:

يتم شحن المكثفات C1 و C2 كل منهما إلى نصف سعة الجهد للشبكة. جوهر الدائرة هو أن المكثفات C1 ، C2 ، باستخدام الثنائيات D1 ، D2 ، D3 ، يتم تبديلها من الاتصال التسلسلي (عند الشحن) إلى الاتصال المتوازي (عند التفريغ للتحميل). ونتيجة لذلك ، يتم تشغيل الحمل بواسطة طاقة المكثفات فقط خلال الفترات التي تصبح فيها قيمة الجهد الكهربائي المعدل أقل من نصف قيمة السعة. وبالتالي ، تتسع مدة الاستهلاك الحالي من الشبكة ويزداد عامل الطاقة. ومع ذلك ، فإن الدائرة لها عيب كبير - جهد الخرج له تموج كبير - يصل إلى نصف الجهد. هذا يؤثر على اختيار جهد خط LED ، يجب أن يكون أقل من نصف قيمة اتساع جهد الدخل بالإضافة إلى هامش معين.

لتوضيح كيفية عمل PFC ، قدم Valley-Fill نموذج التوابل في LTspice:

النموذج متاح هنا . يمكنك التنزيل والتجربة ، ومعرفة كيف يعمل.

اختيار هيكل سائق الصمام

تحتاج أولاً إلى تسليط الضوء على قضية العزل الجلفاني. الجهاز (المصباح) ككل هو منتج من الدرجة الثانية للسلامة الكهربائية. لماذا العزل الجلفاني غير مطلوب؟ إذا كان الجهاز في علبة بلاستيكية بدون عناصر معدنية يمكن لمسها من قبل شخص ، فإن العزل ليس ضروريًا ، حيث يتم توفير الحماية بواسطة العلبة. يمكن ملاحظة ذلك في مثال مصابيح LED - لا يتم أبدًا عزل السائقين في مصابيح LED بشكل كلفاني.

من الواضح أنني اضطررت إلى التخلي عن خيار ذي مرحلتين. حتى إذا تمكنت من العثور على دوائر صغيرة مزودة بمفاتيح تشغيل مدمجة لكلا المرحلتين (ولتعزيز PFC في مرحلة المراجعة الأولى (بسرعة) ، لم أتمكن من العثور على مثل هذه الدوائر الصغيرة ، باستثناء بعض الوحوش في الحالة العملاقة من Power Integrations) ، فهذا لا يزال سيكون هناك دائرتان صغيرتان للطاقة وخانقتان. بالنظر إلى المستقبل ، سأقول أن الخانق هو الذي يضيف جزءًا كبيرًا من تكلفة BOM. تبين أن الخيار باهظ الثمن ، بالإضافة إلى ذلك ، اكتشفت التصميم وأدركت أنه لن يتناسب مع لوحة بحجم معين.

بعد ذلك ، رميت السائقين الخطيين. السبب الأول هو جهد الخرج 120 فولت ، مما يعني أنه يجب تبديد أكثر من نصف الطاقة على المقياس الخطي ، وهذا بالتأكيد غير مسموح به. حتى إذا اتفقنا على زيادة جهد خط LED (وقد أتيحت لي مثل هذه الفرصة) ، فعندئذٍ بالنسبة للسعات الخطية ، لا يكون السائق الخطي قابلاً للتطبيق. سوف يؤدي تبديد الطاقة الكبيرة في علبة بلاستيكية صغيرة إلى تحويلها إلى جهاز تدفئة.

بتعبير أدق ، من الممكن استخدام محرك LED خطي لهذه الطاقة ، ولكن فقط من خلال التضحية بعامل طاقة أو معامل تموج للضوء ، وهو ما لم أكن لأفعله. هذا هو السبب الثاني - من المستحيل تحقيق الخصائص المحددة إما عن طريق PF أو KP من الضوء.

كما تتذكر من متطلبات المعارف التقليدية ، أحتاج إلى تقديم خيارين: أحدهما بدون PFC ، والثاني مع Pf 0.9 على الأقل. نتيجة للتحليل ، فإن الخيار الأول واضح - وهذا هو محول باك مع استقرار تيار الإخراج. وهذا هو ، مرشح المدخلات ، المعدل ، المكثف الإلكتروليتي ذو السعة الكبيرة ، محول باك. هذا الخيار بسيط للغاية ، وبشكل عام ، ليس من المثير للاهتمام التفكير فيه. علاوة على ذلك ، سأفكر فقط في الخيار مع KKM.

ولكن بالنسبة للخيار الثاني ، صادفت خيارًا صعبًا: {Valley fill corrector + step-down converter} أو {APFC-buck + active output filter}. بدون المرشح النشط ، لن يكون من الممكن الحصول على نبضات الضوء المعطاة - كان ذلك واضحًا بالنسبة لي.

كانت هناك مثل هذه الشكوك. دارة المرشح النشطة هي ترانزستور طاقة إضافي ، وبالتالي ، فإن الزيادة في السعر ، بالإضافة إلى الخسائر الإضافية ، تعني انخفاضًا في الكفاءة. في خيار آخر ، كنت في حيرة من أمري إذا تمكنت من الحصول على Pf المطلوبة باستخدام مخطط "تعبئة فالي". من ناحية ، في appnote من IR تتلقى عامل طاقة يصل إلى 0.96 ، ولكن هناك أيضًا فروق دقيقة. على سبيل المثال ، لم أرغب في زيادة مقاومة المقاوم Rvf بشكل مفرط. بالإضافة إلى ذلك ، كان هناك خطر من عدم وجود هامش جهد كافي لتنظيم باك العادي. أظهرت النمذجة أن هناك مخزونًا كافيًا ، ولكن ليس حقيقة أنه سيكون أيضًا في الواقع.

لذا ، فإن خيار مصحح "Valley التعبئة" في تقديري جعل من الممكن الحصول على سعر أقل أو نفس ، مع زيادة في الكفاءة ، كان هذا حاسماً في اختياري.

تصميم الدوائر

يظهر الرسم التخطيطي في الشكل:

وصف عناصر الدائرة:

FU1 - الصمامات ، التي تتطلبها متطلبات السلامة ؛

RV1 - مكثف لقمع الضوضاء النبضية للميكروثانية ذات الطاقة العالية ، وكذلك التداخل النبضي للنانو ثانية ؛

R1 ، R2 - مقاومات لتفريغ مكثف الإدخال عند فصل الجهاز عن الشبكة ؛

C1 - مكثف مرشح تداخل الإدخال (مكثف من الفئة X2) ، يقمع الضوضاء التي أجريت في الشبكة ، وكذلك مع RV1 يساعد في مكافحة الضوضاء النبضية ؛

L1 ، L3 ، R3 ، R4 - عناصر مرشح تداخل الإدخال (موصل ، نبضي) ؛

VD1 - جسر المعدل ؛

C2 ، C3 ، VD2 ... VD4 ، R5 - عناصر مصحح "Valley تعبئة" ؛

C4 - محول مكثف الإدخال باك ؛

R6 ، R8 - المقاومات التي توفر الطاقة للرقاقة ؛

R7 - مقاوم يحدد عتبة الحماية لتجاوز جهد الخرج (عندما ينكسر خط LED) ؛

C5 - مكثف لقوة الدائرة الدقيقة ؛

DA1 - دائرة تحويل صغيرة تنحى مع MOSFET مدمجة ؛

R9 ، R10 - مقاومات التحويل الحالية ؛

VD5 - محول باك ثنائي الصمام ؛

L3 - محول باك محول الطاقة ؛

C6 - سعة الإخراج.

اختيار العنصر

فتيل. لم أكن مضطرا للنظر طويلا ، فإن SMD المدمج 25F-010H من Hollyland مقابل 0.048 دولار فقط.

مكثف. ثم اضطررت إلى العرق. يبدو الآن أنني أعرف جميع مصنعي مكثف SMD في الصين وتايوان. من ما يلائم ويسلم ، قمت بعمل قائمة ونقلت هذه العناصر:

ونتيجة لذلك ، حتى الأسعار الصينية كانت مرعبة ، اضطررت إلى التخلي عن SMD في هذه الحالة ، وانخفض الاختيار على مكثف TVR05391KSY مقابل 0.027 دولار.

لقد فكرت أيضًا في الشركات المصنعة الأوروبية ، على سبيل المثال ، تحتوي Epcos على متغيرات SMD ، ولكنها أكثر تكلفة ، للأسف.

مكثف X. خيارات SMD لمثل هذه المكثفات باهظة الثمن ، لذا فإن 0.1 μF 10٪ 300V X2 J104K300A100 من الشركة المصنعة ~~الرائدة في العالم~~ هي Chiefcon هي الخيار الأفضل مقابل 0.036 دولار.

مكثف كهربائيا.اختيار الشوارد SMD عند 200 فولت ليس رائعًا ، وتلك التي اتضح أنها ذات حجم ضخم. تعتبر السلسلة "VE" و "VEJ" من Lelon و "ULR" و "UUG" و "UUJ" من Nichicon وما إلى ذلك. 10 ميكروفاردات بحجم 12.5x13.5 لم تناسبني. ونتيجة لذلك ، صادفت مصنعًا صينيًا مثيرًا للاهتمام Ymin ، يقول موقعه الإلكتروني "خبير صغير". في الواقع ، تعد سلسلة VKM ، 12 microfarads بحجم 8x12.5 ، خيارًا ممتازًا مقابل 0.046 دولارًا فقط للقطعة. اعطي اثنين.

الثنائيات.جسر الصمام الثنائي MB6S (0.028) ، اختار صمام الطاقة الكهربائية نوع ES1J - كل شيء قياسي هنا ، لكنني أردت اختيار الثنائيات الصغيرة لملء الوادي ووجدت إصدارًا مثيرًا للاهتمام للغاية من GS10xxFL من PANJIT. الثنائيات للجهود حتى 1000 فولت في حزمة SOD-123 ، هل تمزح؟ لا ، إنهم موجودون. ونتيجة لذلك ، يبلغ سعر GS1006FL 0.019 دولارًا فقط. اعثر على نفس السرعة الفائقة ويمكن استخدامها كصمام ثنائي للطاقة لخفض. تركت هذه الفكرة قبل إجراء الاختبارات الحرارية. إذا لم يسخن ES1J ، فيمكنك التفكير في الأمر.

الإختناقات.في البداية ، لجأت إلى Eurobrands ، لكن الاقتباس أظهر أن أرخص ما يناسبني هو SRR1208 مقابل 0.28 دولارًا من Bourns. حتى ورث لم يُعرض بسعر أرخص من حوالي 0.3 دولار. هذه خانقة كهربائية. ونتيجة لذلك ، حولت اتجاه البحث نحو العلامات التجارية الآسيوية. بعد مراجعة منتجات مكاتب مثل Ferriwo ، و ABC Taiwan ، و Fuantronics ، و Coilmaster ، والاقتباس منها ، استقرت على متغير SRI1207 من شركة Coremaster التايوانية. مقابل 0.142 دولار فقط.

رقاقة.قررت اختيار BPS ، لأن لديهم محفظة كبيرة في مجال الدوائر المصغرة لمحركات LED ، قابلت منتجاتهم في العديد من الأجهزة ، وهناك أيضًا موزع في روسيا - بلاتان. اخترت شريحة مزودة بمفتاح طاقة مدمج BP2832AJ - لديها "إخوة أكبر سنًا" (أو "أخوات" ، يغفر جهلي بين الجنسين) BP2833 و BP2836 مع مقاومة قناة أقل لـ MOSFET المدمج (إذا كنت بحاجة فجأة لزيادة الطاقة أو الحصول على مزيد من الكفاءة). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن شراء هذه الشريحة في الاتحاد الروسي.

قائمة المواد النهائية:

0.81 دولار هو نتيجة جيدة للنسخة الأولى. هناك هامش صغير - لأنك تعرف كيف يحدث ذلك ، بعد اختبار التكرار الأول للوحة ، يظهر نوع من عدم التطابق عادةً ، وعليك إضافة بعض العناصر "السحرية" لثلاثة دولارات.

استنتاج

كيف تقلل الضجيج الذي تم إجراؤه دون إضافة عناصر جديدة إلى الدائرة؟ لماذا لا يمكن استخدام مقاومات الأغشية الرقيقة في مصحح تعبئة الوادي؟ كيف يمكن زيادة الكفاءة المضيئة للمصباح دون زيادة كفاءة محرك LED؟ ستتعلم الإجابات على هذه الأسئلة وغيرها من الجزء الثاني من هذه المقالة. سيتم تخصيص المقالة للاختبارات التي يجب أن يجتازها المؤلف جنبًا إلى جنب مع التكرار الأول للوحة ، بالإضافة إلى تطوير التكرار الثاني للجهاز.

القوة رائعة - تعامل معها.

برنامج تشغيل LED بتكلفة BOM أقل من 1 دولار. هل هو ممكن؟