🎑 👨🏼‍🚒 🙎 LED-Treiber mit einer Stückliste kosten weniger als 1 US-Dollar. Das ist möglich? 👩🏼‍⚕️ 💃🏽 🧜

Die Entwicklung von LED-Treibern ist eine interessante und komplexe Aufgabe. Der Markt in dieser Richtung ist sehr gesättigt - manchmal scheint es, dass die Produktion von LED-Lampen überall ist. Ausgehend von der Garage und endend mit riesigen Fabriken. Bei den Fahrern, Giganten wie Philips oder Meanwell einerseits, gut aussehenden Chinesen wie Moso und Billion andererseits, Noname-Chinesen andererseits ... Unter diesen Bedingungen wird die Aufgabe, das Produkt für den Preis zu optimieren, zu den technischen Komponenten (Schaltung und Design) hinzugefügt.

Ich spreche also von der Entwicklung von LED-Treibern mit einer erheblichen Einschränkung des Komponentenpreises.

In meinem vorherigen Artikel habe ich eine kleine Analyse der Anforderungen an LED-Geräte sowie der behördlichen Dokumentation durchgeführt, in der diese Anforderungen beschrieben werden. Es ist Zeit, über die Entwicklung zu sprechen. Wie Sie wissen, "ohne TK - das Ergebnis ist unvorhersehbar", beginnen wir damit.

TK-Anforderungen

Versorgungsspannung 230 ± 10%
Stromverbrauch 15 W.
Ausgangsspannung: 110 - 120V
Galvanische Trennung: nicht erforderlich
Wellen eines Lichtstroms: nicht mehr als 5%
Lichtausbeute: mindestens 100 lm / W.
Leistungsfaktor: mindestens 0,9 (auch die Option 0,5 ausarbeiten)
Konstruktionsbeschränkungen: Elementhöhe 14 mm, maximale SMD (falls möglich).
Die Kosten für Komponenten des LED-Treibers: nicht mehr als 1 US-Dollar

Analyse der Optionen der LED-Treiberschaltung

Berücksichtigen Sie die Implementierungsoptionen.

Option ohne KKM. In diesem Fall müssen Sie einen Abwärtswandler herstellen, da die Ausgangsspannung 110-120 V beträgt. Am Eingang des Tiefsetzstellers, eines Gleichrichters und eines Speicherkondensators ergibt sich eine konstante (Welligkeits-) Spannung von ungefähr 310 V. Um klarer zu machen, was diskutiert wird, werde ich im Folgenden für jede Option Beispiele für Mikroschaltungen geben, auf denen es möglich ist, die betrachtete Struktur zu implementieren. Beispiele für Chips für einen Abwärtswandler ohne PFC: LM3444, HV9910B, HV9961, BP2831.

Einstufiger kombinierter KKM / Stromstabilisator.Eine Option, wenn eine Stufe der Umwandlung eine sinusförmige Eingangsstromaufnahme und eine Stromstabilisierung der LED-Leitung bietet. Chipbeispiele: TPS92074, BP2366, PT6917. Es gibt exotische Optionen wie HV9931.

Leitungstreiber. Eine Option, wenn eine Stromstabilisierung bereitgestellt wird, indem ein Teil der Leistung am Regler abgeführt wird (analog zu einem linearen Stabilisator). Beispiele für NSI45090-, FAN5640-, PT6913-, BCR402-, BP5131-Chips.

Zweistufig: PFC + Stromstabilisator.Die erste Stufe ist ein Boost-KKM, wonach eine konstante Spannung von 380-400 V am Speicherkondensator erhalten wird. Der Abwärtswandler der zweiten Stufe mit Stromstabilisierung. Da diese Lösung normalerweise für leistungsstärkere LED-Treiber verwendet wird, wird normalerweise ein Chip mit einem Fremdschlüssel für die erste Stufe (KKM) verwendet, z. B. NCP1650, UCC38051, LT1249.

Einstufig mit passivem KKM wie "Valley Fill". KKM dieses Typs ist ~~in engen Kreisen~~ ein ziemlich bekanntes Schema, auf das ich weiter unten näher eingehen werde.

Verwenden Sie einen aktiven Filter.Dies ist keine unabhängige Option, sondern eine Ergänzung zu einer der Optionen, mit der der Welligkeitsstrom und folglich die Welligkeit des Lichtflusses reduziert werden können. Ein aktives Filter kann sowohl auf einem Feldeffekt als auch auf einem Bipolartransistor implementiert werden. Beispielschaltung:

Zu diesem Zweck gibt es auch spezielle Mikroschaltungen, beispielsweise BP5609, JW1210.

Es gibt andere Optionen für den Aufbau von LED-Treibern, z. B. einen Flyback-Wandler oder einen segmentierten Linear-Treiber. Sie werden nicht berücksichtigt, da sie offensichtlich nicht den Anforderungen von TK entsprechen.

Zur Vereinfachung der Analyse sind die Vor- und Nachteile der betrachteten Optionen in der Tabelle zusammengefasst:

Fahrertyp	Profis	Minuspunkte
Option ohne KKM (Buck)	Nicht viele Elemente cheaper billiger, kompakter. In Gegenwart von Elektrolyt am Eingang kann eine geringe Lichtwelligkeit bereitgestellt werden.	Niedriger PF.
(APFC-buck)	➔ , . PF.	20-30%.
	➔ . . .	➔ , . PF.
	➔ . PF. . TRIAC-.	➔ , . 100%.
(boost PFC+buck)	PF. .	Zwei Konverter - mehr Elemente - teurer, mehr Abmessungen.
Einstufige + Talfüllung	VF-Korrektor ist einfacher als vollwertiger APFC - billiger, kompakter als zweistufig.	Die Ausgangsspannung VF pulsiert mit einem Mindestwert von Uin / 2. Es ist schwierig, einen PF besser als 0,9 zu erzielen. Nicht für leistungsstarke Lösungen geeignet.
Aktive Filteranwendung	Ermöglicht die Reduzierung der Lichtwelligkeit.	Verlustleistung ➔ Verschlechterung der Effizienz.

Ein bisschen über den Valley Fill Corrector

Bevor Sie Optionen analysieren und auswählen, müssen Sie kurz erklären, was ein passiver Valley Fill-Korrektor ist. Das Schema sieht folgendermaßen aus:

Die Kondensatoren C1, C2 werden jeweils auf die Hälfte der Spannungsamplitude des Netzwerks aufgeladen. Das Wesentliche der Schaltung besteht darin, dass die Kondensatoren C1, C2 unter Verwendung der Dioden D1, D2, D3 von einer seriellen (beim Laden) auf eine parallele (beim Entladen zum Laden) Verbindung umgeschaltet werden. Infolgedessen wird die Last nur in Zeiten von der Energie der Kondensatoren gespeist, in denen der Wert der gleichgerichteten Netzspannung weniger als die Hälfte des Amplitudenwerts beträgt. Somit verlängert sich die Dauer des Stromverbrauchs aus dem Netzwerk und der Leistungsfaktor nimmt zu. Die Schaltung hat jedoch einen signifikanten Nachteil - die Ausgangsspannung hat eine signifikante Welligkeit - bis zur Hälfte der Spannung. Dies wirkt sich auf die Wahl der Spannung der LED-Leitung aus. Sie sollte weniger als die Hälfte des Amplitudenwerts der Eingangsspannung zuzüglich eines bestimmten Spielraums betragen.

Um zu verdeutlichen, wie PFC funktioniert, hat Valley-Fill in LTspice ein Gewürzmodell erstellt:

Das Modell finden Sie hier . Sie können herunterladen und experimentieren, um zu sehen, wie es funktioniert.

Wahl der LED-Treiberstruktur

Zuerst müssen Sie das Problem der galvanischen Trennung hervorheben. Das Gerät (Lampe) als Ganzes ist ein Produkt der Klasse II für die elektrische Sicherheit. Warum ist keine galvanische Trennung erforderlich? Befindet sich das Gerät in einem Kunststoffgehäuse ohne Metallelemente, die von einer Person berührt werden können, ist keine Isolierung erforderlich, da der Schutz durch das Gehäuse bereitgestellt wird. Dies ist am Beispiel von LED-Lampen zu sehen - Treiber in LED-Lampen werden niemals galvanisch isoliert.

Es ist offensichtlich, dass ich die zweistufige Option aufgeben musste. Selbst wenn ich Mikroschaltungen mit eingebauten Einschalttasten für beide Stufen finden kann (und für Boost-PFC in der ersten Überprüfungsstufe (schnell) konnte ich solche Mikroschaltungen nicht finden, außer für ein Monster im Riesengehäuse von Power Integrations), ist es immer noch so Es wird zwei Leistungsmikrokreise und zwei Drosseln geben. Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass es die Drossel ist, die einen erheblichen Teil zu den Kosten der Stückliste beiträgt. Die Option stellt sich als teuer heraus. Außerdem habe ich das Layout herausgefunden und festgestellt, dass es nicht auf ein Board einer bestimmten Größe passt.

Als nächstes warf ich die Linear-Treiber zurück. Grund Nummer eins ist die Ausgangsspannung von 120V, was bedeutet, dass mehr als die Hälfte der Leistung auf dem linearen Messgerät abgeführt werden muss, dies ist natürlich nicht zulässig. Selbst wenn wir uns auf die Erhöhung der Spannung der LED-Leitung geeinigt haben (und ich hatte eine solche Gelegenheit), ist der Linear-Treiber für solche Kapazitäten nicht sehr anwendbar. Die große Verlustleistung in einem kompakten Kunststoffgehäuse macht es zu einem Heizgerät.

Genauer gesagt ist es möglich, einen linearen LED-Treiber für eine solche Leistung zu verwenden, aber nur, indem ein Leistungsfaktor oder ein Welligkeitskoeffizient des Lichts geopfert wird, was ich nicht tun wollte. Dies ist der zweite Grund - es ist unmöglich, die angegebenen Eigenschaften entweder durch PF oder durch KP von Licht zu erreichen.

Wie Sie sich aus den Anforderungen von TK erinnern, muss ich zwei Optionen anbieten: eine ohne PFC und die zweite mit Pf mindestens 0,9. Als Ergebnis der Analyse liegt die Wahl für die erste Option auf der Hand - dies ist ein Abwärtswandler mit Stabilisierung des Ausgangsstroms. Das heißt, das Eingangsfilter, der Gleichrichter, der Elektrolytkondensator mit großer Kapazität und der Abwärtswandler. Diese Option ist recht einfach und im Allgemeinen nicht so interessant zu betrachten. Weiterhin werde ich nur die Option mit KKM betrachten.

Bei der zweiten Option stieß ich jedoch auf eine schwierige Wahl: {Valley Fill Corrector + Step-Down-Konverter} oder {APFC-Buck + Active Output Filter}. Ohne den aktiven Filter wäre es nicht möglich, die gegebenen Lichtpulsationen zu erhalten - das war mir klar.

Es gab solche Zweifel. Eine aktive Filterschaltung ist ein zusätzlicher Leistungstransistor, und folglich bedeutet eine Erhöhung des Preises sowie zusätzliche Verluste eine Verringerung des Wirkungsgrads. Bei einer anderen Option war ich verwirrt, ob ich den erforderlichen Pf mithilfe des Schemas „Talfüllung“ erhalten konnte. Einerseits erhalten in Appnote von IR einen Leistungsfaktor von bis zu 0,96, aber es gibt auch Nuancen. Zum Beispiel wollte ich den Widerstand des Widerstands Rvf nicht übermäßig erhöhen. Darüber hinaus bestand das Risiko, dass die Spannungsspanne für eine normale Buck-Regelung nicht ausreicht. Die Modellierung hat gezeigt, dass es genügend Lagerbestände gibt, aber nicht die Tatsache, dass dies auch in der Realität der Fall sein wird.

Die Option mit dem „Valley Fill“ -Korrektor nach meiner Einschätzung ermöglichte es also, einen niedrigeren oder gleichen Preis mit einer Effizienzsteigerung zu erzielen. Dies war für meine Wahl entscheidend.

Schaltungsdesign

Das Diagramm ist in der Abbildung dargestellt:

Beschreibung der Schaltungselemente:

FU1 - Sicherung, gemäß Sicherheitsanforderungen erforderlich;

RV1 - Varistor zur Unterdrückung von gepulsten Mikrosekundenrauschen hoher Energie sowie gepulster Nanosekundeninterferenz;

R1, R2 - Widerstände zur Entladung des Eingangskondensators, wenn das Gerät vom Netzwerk getrennt ist;

C1 - Kondensator des Eingangsinterferenzfilters (Kondensator der X2-Klasse) unterdrückt unterdrücktes Rauschen im Netzwerk und hilft zusammen mit RV1 bei der Bekämpfung von Impulsrauschen;

L1, L3, R3, R4 - Elemente des Eingangsinterferenzfilters (leitend, gepulst);

VD1 - Gleichrichterbrücke;

C2, C3, VD2 ... VD4, R5 - Elemente des Korrektors „Talfüllung“;

C4 - Eingangskondensator-Abwärtswandler;

R6, R8 - Widerstände, die den Chip mit Strom versorgen;

R7 - ein Widerstand, der die Schutzschwelle für das Überschreiten der Ausgangsspannung festlegt (wenn die LED-Leitung unterbrochen wird);

C5 - Kondensator für die Leistung von Mikroschaltungen;

DA1 - eine Abwärtswandler-Mikroschaltung mit einem eingebauten Leistungs-MOSFET;

R9, R10 - Strom-Shunt-Widerstände;

VD5 - Leistungsdioden-Abwärtswandler;

L3 - Abwärtswandler des Stromrichters;

C6 - Ausgangskapazität.

Artikelauswahl

Sicherung. Ich musste nicht lange suchen, die kompakte SMD-Sicherung 25F-010H von Hollyland für nur 0,048 US-Dollar.

Varistor. Dann musste ich schwitzen. Jetzt kenne ich anscheinend alle Hersteller von SMD-Varistoren in China und Taiwan. Aus dem, was passt und geliefert wird, habe ich eine Liste erstellt und solche Elemente zitiert:

Infolgedessen waren selbst die chinesischen Preise entsetzt, ich musste in diesem Fall auf SMD verzichten, und die Wahl fiel auf den Varistor TVR05391KSY für 0,027 USD.

Ich habe auch europäische Hersteller in Betracht gezogen, zum Beispiel hat Epcos SMD-Varistoren, aber leider sogar noch teurer.

X Kondensator. SMD-Optionen für solche Kondensatoren sind sehr teuer, daher sind 0,1 μF 10% 300 V X2 J104K300A100 vom ~~weltweit führenden~~ Hersteller Chiefcon die beste Wahl für 0,036 USD.

Elektrolytkondensator.Die Auswahl an SMD-Elektrolyten bei 200 V ist nicht so groß, und diejenigen, die sich als gigantisch herausstellen. Betrachtet man die Serien "VE", "VEJ" von Lelon, "ULR", "UUG", "UUJ" von Nichicon usw. 10 Mikrofarad in der Größe von 12,5 x 13,5 passten nicht zu mir. Infolgedessen stieß ich auf einen interessanten chinesischen Hersteller, Ymin, auf dessen Website „Kleiner Experte“ steht. In der Tat ist die VKM-Serie mit 12 Mikrofarad in der Größe von 8 x 12,5 eine hervorragende Option und kostet nur 0,046 USD pro Stück. Gib zwei.

Dioden.Die MB6S-Diodenbrücke (0,028), die Leistungsdiode, wählte den Typ ES1J - hier ist alles Standard, aber ich wollte die kleineren Dioden für Valley Fill auswählen und fand eine sehr interessante Version von PANJITs GS10xxFL. Dioden für Spannungen bis 1000 V im SOD-123-Paket, machen Sie Witze? Nein, sie existieren. Infolgedessen kostet der GS1006FL nur 0,019 US-Dollar. Finden Sie das gleiche ultraschnelle und kann als Leistungsdiode zum Absenken verwendet werden. Ich habe diese Idee verlassen, bevor ich thermische Tests durchgeführt habe. Wenn sich ES1J nicht erwärmt, können Sie darüber nachdenken.

Drosseln.Anfangs habe ich mich an Eurobrands gewandt, aber das Zitieren hat gezeigt, dass SRR1208 für 0,28 USD von Bourns das günstigste für mich ist. Sogar Wurth wurde nicht billiger als etwa 0,3 $ angeboten. Dies ist eine Leistungsdrossel. Infolgedessen habe ich den Suchvektor auf asiatische Marken ausgerichtet. Nachdem ich die Produkte von Büros wie Ferriwo, ABC Taiwan, Fuantronics und Coilmaster geprüft und zitiert hatte, entschied ich mich für die Variante SRI1207 der taiwanesischen Firma Coremaster. Für nur 0,142 $.

Chip.Ich habe mich für BPS entschieden, weil sie ein großes Portfolio im Bereich Mikroschaltungen für LED-Treiber haben, ich habe ihre Produkte in vielen Geräten kennengelernt und es gibt auch einen Distributor in Russland - Platan. Ich habe mich für einen Chip mit integriertem Netzschalter BP2832AJ entschieden - er verfügt über Pin-2-Pin-kompatible "ältere Brüder" (oder "Schwestern", verzeihen Sie meine geschlechtsspezifische Unkenntnis) BP2833 und BP2836 mit geringerem Kanalwiderstand des eingebauten MOSFET (wenn Sie plötzlich die Leistung erhöhen müssen) oder mehr Effizienz bekommen). Darüber hinaus kann dieser Chip wird gekauft in der Russischen Föderation.

Endgültige Stückliste:

$ 0.81 ist ein gutes Ergebnis für die erste Version. Es gibt einen kleinen Spielraum - weil Sie wissen, wie es passiert, tritt nach dem Testen der ersten Iteration des Boards normalerweise eine Art ... Nichtübereinstimmung auf, und Sie müssen ein paar "magische" Elemente von jeweils drei Dollar hinzufügen.

Fazit

Wie kann man leitungsgebundenes Rauschen reduzieren, ohne der Schaltung neue Elemente hinzuzufügen? Warum können im Valley Fill Corrector keine Dünnschichtwiderstände verwendet werden? Wie kann die Lichtausbeute der Lampe erhöht werden, ohne die Effizienz des LED-Treibers zu erhöhen? Die Antworten auf diese und andere Fragen finden Sie im zweiten Teil dieses Artikels. Der Artikel widmet sich den Tests, die der Autor zusammen mit der ersten Iteration des Boards bestehen muss, sowie der Entwicklung der zweiten Iteration des Geräts.

Power ist cool - damit umgehen.

LED-Treiber mit einer Stückliste kosten weniger als 1 US-Dollar. Das ist möglich?