💌 🌔 🍍 Driver de LED com custo de BOM inferior a US $ 1. É possível? 🐮 😡 👩‍👦‍👦

O desenvolvimento do driver de LED é uma tarefa interessante e complexa. O mercado nessa direção está muito saturado - às vezes parece que a produção de lâmpadas LED está em todo lugar. Começando na garagem e terminando com grandes fábricas. Quanto aos motoristas, gigantes como Philips ou Meanwell, por um lado, chineses de boa aparência como Moso e Billion, por outro, não chineses como o terceiro ... Nessas condições, a tarefa de otimizar o produto pelo preço é adicionada aos componentes de engenharia (circuitos e design).

Então, eu estou falando sobre o desenvolvimento de drivers de LED com uma limitação significativa no preço dos componentes.

No meu artigo anterior, conduzi uma pequena análise dos requisitos para equipamentos de LED, bem como a documentação regulamentar que descreve esses requisitos. É hora de falar sobre o desenvolvimento. Como você sabe, "sem TK - o resultado é imprevisível", começaremos com isso.

Requisitos TK

Tensão de alimentação 230 ± 10%
Consumo de energia 15 W
Tensão de saída: 110 - 120V
Isolamento galvânico: não necessário
Ondulações de um fluxo de luz: não mais que 5%
Eficiência luminosa: não inferior a 100lm / W
Fator de potência: pelo menos 0,9 (também calcule a opção 0,5)
Restrições de projeto: Altura do elemento 14 mm, SMD máximo (se possível).
O custo dos componentes do driver de LED: não mais que US $ 1

Análise das opções de circuitos de driver de LED

Considere as opções de implementação.

Opção sem KKM. Nesse caso, como a tensão de saída é 110-120V, você precisa fazer um conversor buck. Na entrada do conversor buck, um retificador e um capacitor de armazenamento fornecerão uma tensão constante (ondulação) de aproximadamente 310V. Para deixar mais claro o que está sendo discutido, a seguir, para cada opção, darei exemplos de microcircuitos nos quais é possível implementar a estrutura considerada. Exemplos de chips para um conversor abaixador sem PFC: LM3444, HV9910B, HV9961, BP2831.

Estabilizador combinado KKM / corrente de um estágio.Uma opção quando um estágio da conversão fornece consumo de corrente sinusoidal de entrada e estabilização de corrente da linha de LED. Exemplos de chips: TPS92074, BP2366, PT6917. Existem opções exóticas como o HV9931.

Driver de linha. Uma opção quando a estabilização de corrente é fornecida dissipando parte da energia do regulador (por analogia com um estabilizador linear). Exemplos de chips NSI45090, FAN5640, PT6913, BCR402, BP5131.

Dois estágios: PFC + estabilizador de corrente.O primeiro estágio é um impulso KKM, após o qual é obtida uma tensão constante de 380-400V no capacitor de armazenamento. O segundo conversor buck de estágio com estabilização de corrente. Como essa solução geralmente é usada para drivers de LED mais poderosos, um chip com uma chave estrangeira geralmente é usado para o primeiro estágio (KKM), por exemplo, NCP1650, UCC38051, LT1249.

Um estágio com KKM passivo como "Vale preenchido". KKM deste tipo é um esquema bastante conhecido ~~em círculos estreitos~~ , vou escrever sobre isso em mais detalhes abaixo.

Use um filtro ativo.Esta não é uma opção independente, mas uma adição a uma das opções, que permite reduzir a corrente de ondulação e, consequentemente, a ondulação do fluxo de luz. Um filtro ativo pode ser implementado em um efeito de campo e em um transistor bipolar. Exemplo de circuito:

Existem também microcircuitos especiais para esse fim, por exemplo, BP5609, JW1210.

Existem outras opções para a construção de drivers de LED, por exemplo, conversor flyback ou driver linear segmentado, que não são considerados, pois obviamente não atendem aos requisitos do TK.

Para facilitar a análise, os prós e os contras das opções consideradas estão resumidos na tabela:

Tipo de driver	profissionais	Minuses
Opção sem KKM (buck)	Não há muitos elementos mais baratos, mais compactos. Na presença de um eletrólito na entrada, uma baixa ondulação de luz pode ser fornecida.	PF baixo.
(APFC-buck)	➔ , . PF.	20-30%.
	➔ . . .	➔ , . PF.
	➔ . PF. . TRIAC-.	➔ , . 100%.
(boost PFC+buck)	PF. .	Dois conversores - mais elementos - mais caros, mais dimensões.
Fase única + preenchimento do vale	O corretor VF é mais simples que o APFC de pleno direito - mais barato, mais compacto que o de dois estágios.	A tensão de saída VF está pulsando, com um valor mínimo de Uin / 2. É difícil obter PF melhor que 0,9. Não é adequado para soluções poderosas.
Aplicativo de filtro ativo	Permite reduzir a ondulação da luz.	Dissipa o poder, piorando a eficiência.

Um pouco sobre o corretor de preenchimento Valley

Antes de analisar e escolher opções, você precisa explicar brevemente o que é um corretor passivo de preenchimento da Valley. O esquema é assim:

Os capacitores C1, C2 são carregados cada metade da amplitude de tensão da rede. A essência do circuito é que os capacitores C1, C2, usando os diodos D1, D2, D3, passam da conexão serial (ao carregar) para a conexão paralela (ao descarregar para carregar). Como resultado, a carga é alimentada pela energia dos capacitores apenas durante períodos em que o valor da tensão da rede retificada se torna menor que a metade do valor da amplitude. Assim, a duração do consumo atual da rede se expande e o fator de potência aumenta. No entanto, o circuito tem uma desvantagem significativa - a tensão de saída tem uma ondulação significativa - até metade da tensão. Isso afeta a escolha da tensão da linha de LED, que deve ser menos da metade do valor da amplitude da tensão de entrada mais uma certa margem.

Para esclarecer como o PFC funciona, a Valley-Fill criou um modelo de especiarias no LTspice:

O modelo está disponível aqui . Você pode baixar e experimentar, ver como funciona.

Escolha da estrutura do driver de LED

Primeiro, você precisa destacar a questão do isolamento galvânico. O dispositivo (lâmpada) como um todo é um produto de classe II para segurança elétrica. Por que o isolamento galvânico não é necessário? Se o dispositivo estiver em uma caixa de plástico sem elementos metálicos que possam ser tocados por uma pessoa, o isolamento não será necessário, pois a proteção é fornecida pela caixa. Isso pode ser visto no exemplo de lâmpadas LED - os drivers das lâmpadas LED nunca são isolados galvanicamente.

É óbvio que tive que abandonar a opção de duas etapas. Mesmo que eu consiga encontrar microcircuitos com teclas de força integradas para os dois estágios (e para aumentar o PFC no primeiro estágio de revisão (rapidamente), não consegui encontrar esses microcircuitos, exceto por algum monstro no caso gigante da Power Integrations), mas isso ainda é haverá dois microcircuitos de força e dois bloqueadores. Olhando para o futuro, direi que é o acelerador que adiciona uma parte significativa ao custo da BOM. A opção acaba por ser cara; além disso, eu descobri o layout e percebi que ele não caberia em uma placa de um determinado tamanho.

Em seguida, joguei de volta os drivers lineares. O motivo número um é a tensão de saída de 120V, o que significa que mais da metade da energia precisará ser dissipada no medidor linear; é claro que isso não é permitido. Mesmo se concordássemos com o aumento da tensão da linha de LEDs (e eu tive essa oportunidade), então, para tais capacidades, o driver linear não é muito aplicável. A grande dissipação de energia em uma caixa de plástico compacta a transformará em um dispositivo de aquecimento.

Mais precisamente, é possível usar um driver de LED linear para essa potência, mas apenas sacrificando um fator de potência ou um coeficiente de ondulação de luz, o que eu não faria. Esta é a segunda razão - é impossível obter as características especificadas por PF ou por KP de luz.

Como você se lembra dos requisitos do TK, preciso oferecer duas opções: uma sem PFC e a segunda com Pf pelo menos 0,9. Como resultado da análise, a escolha da primeira opção é óbvia - este é um conversor buck com estabilização da corrente de saída. Ou seja, o filtro de entrada ➔ retificador ➔ capacitor eletrolítico de grande capacidade converter conversor buck. Essa opção é bastante simples e, em geral, não é tão interessante de se considerar. Além disso, considerarei apenas a opção com a KKM.

Mas para a segunda opção, me deparei com uma escolha difícil: {Corretor de preenchimento da vale + conversor de redução} ou {APFC-buck + filtro de saída ativo}. Sem o filtro ativo, não seria possível obter as pulsações de luz fornecidas - era óbvio para mim.

Havia tais dúvidas. Um circuito de filtro ativo é um transistor de potência adicional e, consequentemente, um aumento no preço, além de perdas adicionais, significa uma diminuição na eficiência. Em outra opção, fiquei confuso se conseguir o Pf necessário usando o esquema "Vale preenchido". Por um lado, no appnote do IR, recebe um fator de potência de até 0,96, mas também há nuances. Por exemplo, eu não queria aumentar excessivamente a resistência do resistor Rvf. Além disso, havia o risco de que não houvesse margem de tensão suficiente para a regulação normal do buck. A modelagem mostrou que há estoque suficiente, mas não o fato de que também haverá na realidade.

Portanto, a opção com o corretor “Valley fill” na minha estimativa tornou possível obter um preço mais baixo ou o mesmo, com um aumento de eficiência, isso foi decisivo na minha escolha.

Projeto do circuito

O diagrama é mostrado na figura:

Descrição dos elementos do circuito:

FU1 - fusível, exigido por requisitos de segurança;

RV1 - varistor para suprimir ruído pulsado de microssegundos de alta energia, bem como interferência pulsada em nanossegundos;

R1, R2 - resistores para descarga do capacitor de entrada quando o dispositivo é desconectado da rede;

C1 - capacitor do filtro de interferência de entrada (capacitor da classe X2), suprime o ruído conduzido na rede e também junto com o RV1, ajuda na luta contra o ruído de impulso;

L1, L3, R3, R4 - elementos do filtro de interferência de entrada (condutor, pulsado);

VD1 - ponte retificadora;

C2, C3, VD2 ... VD4, R5 - elementos do corretor "Fill Valley";

C4 - conversor buck de capacitor de entrada;

R6, R8 - resistores que fornecem energia ao chip;

R7 - um resistor que define o limite de proteção para exceder a tensão de saída (quando a linha do LED quebra);

C5 - capacitor para alimentação de microcircuitos;

DA1 - um microcircuito conversor abaixador com um MOSFET de potência embutido;

R9, R10 - resistores de derivação de corrente;

VD5 - conversor buck de diodo de potência;

L3 - conversor de potência conversor buck;

C6 - capacidade de saída.

Seleção de itens

Fusível. Não precisei procurar muito tempo, o fusível SMD compacto 25F-010H da Hollyland por apenas US $ 0,048.

Varistor. Então eu tive que suar. Parece que agora conheço todos os fabricantes de varistores SMD na China e em Taiwan. Pelo que coube e entregue, fiz uma lista e citei esses elementos:

Como resultado, mesmo os preços chineses ficaram horrorizados, tive que abandonar o SMD nesse caso, e a escolha caiu no varistor TVR05391KSY por US $ 0,027.

Também considerei fabricantes europeus, por exemplo, a Epcos tem varistores SMD, mas ainda mais caros, infelizmente.

Capacitor X. As opções SMD para esses capacitores são muito caras, então 0,1 μF 10% 300V X2 J104K300A100 do fabricante ~~líder~~ mundial Chiefcon é a melhor escolha por US $ 0,036.

Capacitores eletrolíticos.A escolha de eletrólitos SMD a 200V não é tão grande, e aqueles que são de tamanho gigantesco. Consideradas as séries "VE", "VEJ" de Lelon, "ULR", "UUG", "UUJ" de Nichicon, etc. 10 microfarads no tamanho de 12,5x13,5 não me agradaram. Como resultado, me deparei com um interessante fabricante chinês Ymin, cujo site diz "Small expert". De fato, a série VKM, 12 microfarads do tamanho de 8x12.5, é uma excelente opção e por apenas US $ 0,046 por peça. Dê dois.

Diodos.A ponte de diodo MB6S (0,028), o diodo de potência, escolheu o tipo ES1J - tudo é padrão aqui, mas eu queria escolher os diodos menores para preenchimento Valley e achei uma versão muito interessante do GS10xxFL da PANJIT. Diodos para tensões de até 1000V no pacote SOD-123, você está brincando? Não, eles existem. Como resultado, o GS1006FL é de apenas US $ 0,019. Encontre o mesmo ultra-rápido e pode ser usado como um diodo de potência para abaixar. Deixei essa ideia antes de realizar testes térmicos. Se o ES1J não aquecer, você pode pensar nisso.

Chokes.Inicialmente, virei-me para o Eurobrands, mas a citação mostrou que o mais barato para mim é o SRR1208 por US $ 0,28 da Bourns. Mesmo Wurth não foi oferecido mais barato do que cerca de US $ 0,3. Este é um estrangulamento de poder. Como resultado, virei o vetor de pesquisa para marcas asiáticas. Depois de revisar e citar os produtos de escritórios como Ferriwo, ABC Taiwan, Fuantronics, Coilmaster, decidi pela variante SRI1207 da empresa taiwanesa Coremaster. Por apenas US $ 0,142.

Lasca.Eu decidi optar pelo BPS, porque eles têm um grande portfólio no campo de microcircuitos para drivers de LED, eu conheci seus produtos em muitos dispositivos, e também há um distribuidor na Rússia - Platan. Escolhi um chip com um interruptor de força interno BP2832AJ - ele tem "irmãos mais velhos" (ou "irmãs") compatíveis com pinos de 2 pinos (ou "irmãs", perdoe minha ignorância de gênero) ou obter mais eficiência). Além disso, este chip pode ser comprado na Federação Russa.

BOM final:

0,81 dólares é um bom resultado para a primeira versão. Há uma pequena margem - porque você sabe como isso acontece, depois de testar a primeira iteração do quadro, geralmente ocorre algum tipo de incompatibilidade, e você precisa adicionar alguns elementos "mágicos" de três dólares cada.

Conclusão

Como reduzir o ruído conduzido sem adicionar novos elementos ao circuito? Por que os resistores de película fina não podem ser usados no corretor de preenchimento Valley? Como aumentar a eficiência luminosa da lâmpada sem aumentar a eficiência do driver de LED? Você aprenderá as respostas para essas e outras perguntas da segunda parte deste artigo. O artigo será dedicado aos testes que o autor, juntamente com a primeira iteração do painel, terá que passar, além do desenvolvimento da segunda iteração do dispositivo.

O poder é legal - lide com isso.

Driver de LED com custo de BOM inferior a US $ 1. É possível?