питание мощного светодиода Опции

[pfa]

Добрый день!
Прошу прощения за чайниковский вопрос.
Поиском пользовался - не помогло.

Необходимо запитать светодиод. Ток - 1А при напряжении порядка 3,8В. Регулировка яркости не нужна.
Входное питание - 3 батарейки либо аккумулятора (т.е. плавает 3-5В). Желателен высокий КПД.
Схемотехнических решений нашел массу, даже растерялся.
Насколько я понимаю, наиболее подходит преобразователь по топологии SEPIC.
В принципе, можно упасть до двух элементов, тогда подойдет Step-Up, я правильно понимаю?
Далее.
Я правильно понимаю, что при таких токах микросхемы с внутренними ключами не подойдут?

Посоветуйте, плиз, готовое рабочее решение на базе элементной базы, которую реально найти в Киеве (ну или просто - на максимально общедоступных элементах).

[A.T.Tappman]

Я операционником усиливал.

[Stanislav]

Я операционником усиливал.

Значит, для одного-единственного светодиода в дополнение к драйверу ещё и операционник с кучкой резисторов потребуется...
В принципе, ничего катастрофического, но чрезмерное усложнение, по-моему, идёт не на пользу какой бы то ни было конструкции.

"Интегральные SEPIC драйверы светодиодов" мне неизвестны, иначе бы уже дал ссылочку автору. Мне вообще неизвестны интегральные микросхемы, предназначенные исключительно для топологии SEPIC.

Хорошо, может быть, тогда Вам известны степ-ап/степ даун драйверы, по отношению к которым LT пошла на жертву ради габаритов?

А что - в SEPIC нам кто-то запрещает сделать ОС по току? И что делает LTC3454 источником тока, как не тот же встроенный резистор?

Я пояснил только, что схема, предложенная Вами, никуда не годится, и не нужно задавать лишних вопросов там, где лишь достаточно принять или опровергнуть данное утверждение.

Вообще, слишком много ничем не подкреплённых слов. Приведите, пожалуйста, пример правильной схемы питания светодиода на SEPIC, и я скажу, чем она хуже предлагаемой LT.

...Если уменьшать пульсации тока, то - и там, и там. "Внушительность размеров" не пугает (как было когда-то в старом "Радио" - зачем делать маленький карманный приёмник, если можно сделать большой карман?).

Простите, но Вы заставляете повторяться.
Я утверждаю, что схема SEPIC, приведённая Вами, не только не годится в качестве драйвера светодиода, но и имеет худший КПД, чем на степ ап/даун LTC-шке при выходном напряжении 3,8 В. А если кому охота носить в кармане кирпичи - ну что ж, тут хозяин - барин, но это уже второй вопрос, не столь принципиальный. Положения вещей это никак не изменит...

[wim]

Вообще, слишком много ничем не подкреплённых слов. Приведите, пожалуйста, пример правильной схемы питания светодиода на SEPIC, и я скажу, чем она хуже предлагаемой LT.

Я просто жду обещанного показа "что в такой системе КПД большим не получится, даже если частоту снизить на порядок". И, если я не прав, я, конечно же, признаю это.

Господа, подскажите, плиз, как подобные девайсы наиболее правильно представлять в модели в MicroCap.
Повторюсь: пробовал Pulse Source, не получается внятного результата (на выходе нет стабильного напряжения). Есть подозрение, что связано это с тем, что в модели не представлена обратная связь. Что скажете?

MicroCap тут не все юзают. Если найдёте Orcad, могу подкинуть готовые примеры. Демо-версия (с ограничениями, но вполне функциональная) есть на дисках прилагаемых к книгам:
1) Р. Хайнеман. PSPICE. Моделирование работы электронных схем.
2) О.М. Петраков. Создание аналоговых PSPICE моделей радиоэлементов.

[Stanislav]

Я просто жду обещанного показа "что в такой системе КПД большим не получится, даже если частоту снизить на порядок". И, если я не прав, я, конечно же, признаю это.

Ну, это просто.
Смотрим характеристики диода MBRS130LT3: прямое падение напряжения при 1А 0.45 В типовое, 0.55 максимальное. При 1А только статические потери составят 450мВт, при условии, что ток через диод считаем постоянным.
Два полевика же LTC-шки, включенных последовательно, дадут лишь 300 мВт статических потерь, что в полтора раза меньше.
Приплюсуйте сюда ещё потери на силовом полевике SEPIC-а и драйвере его затвора, а также в проводах катушек (считать сейчас некогда, а за отсутствием конкретной схемы - и невозможно), - и картина тотчас прояснится.

ЗЫ. динамические потери в LTC-шке можно оценить, сравнивая зависимости КПД от выходного напряжения при разных выходных токах (1А и150 мА). Для этих токов динамические потери в М/С будут одинаковыми, и никак не могут превышать 50 мВт (в реальности гораздо меньше).

Спасибо, но это я уже читал. Найти, к сожалению, возможным не представляется...

Есть одна мыслишка.
А нельзя ли приспособить в качестве драйвера светодиода... миниатюрный усилитель класса D? Таких сейчас продаётся много. Только нужно, чтобы диапазон его входных напряжений включал "-" или "+" питания, для организации ОС по току. Надо подумать...

[wim]

Смотрим характеристики диода MBRS130LT3: прямое падение напряжения при 1А 0.45 В типовое, 0.55 максимальное. При 1А только статические потери составят 450мВт, при условии, что ток через диод считаем постоянным.
Два полевика же LTC-шки, включенных последовательно, дадут лишь 300 мВт статических потерь, что в полтора раза меньше.
Приплюсуйте сюда ещё потери на силовом полевике SEPIC-а и драйвере его затвора, а также в проводах катушек (считать сейчас некогда, а за отсутствием конкретной схемы - и невозможно), - и картина тотчас прояснится.
ЗЫ. динамические потери в LTC-шке можно оценить, сравнивая зависимости КПД от выходного напряжения при разных выходных токах (1А и150 мА). Для этих токов динамические потери в М/С будут одинаковыми, и никак не могут превышать 50 мВт (в реальности гораздо меньше).

Мы, конечно, можем считать ток через диод постоянным, однако он - импульсный и при коэффициенте заполнения 0,5 потери на диоде будут ровно вполовину меньше, т.е. 225 мВт. И будут ещё меньше при уменьшении входного напряжения, что для умирающей батарейки окажется приятным бонусом.

Динамические потери в данном случае будут определяться длительностью активного состояния ключей, которое составляет, согласно описанию, 150 нс. Для простоты - при одинаковых входном и выходном напряжениях =4В динамические потери будут равны 0,5*V*I*DC4sw=300мВт. В сумме:
- статические 300 мВт;
- динамические 300 мВт;
- на токосъёмном резисторе 100 мВт
Итого 700 мВт, что даёт кпд 85%. По графику - на 2-3% меньше, каковые, очевидно, расходуются на дросселе.

Для SEPIC динамические потери при прочих равных условиях будут в 2 раза меньше (в 4 раза потому что один ключ, но через него течёт удвоенный ток нагрузки).

Потери в драйверах - вещь неоднозначная, у одиночного низкоомного ключа они, возможно, будут больше, но ведь и ключ один, а не четыре.

[Stanislav]

Мы, конечно, можем считать ток через диод постоянным, однако он - импульсный и при коэффициенте заполнения 0,5 потери на диоде будут ровно вполовину меньше, т.е. 225 мВт. И будут ещё меньше при уменьшении входного напряжения, что для умирающей батарейки окажется приятным бонусом.

Конечно, потери в диоде будут зависеть от скважности импульсов тока, через него текущего. Но, так как конкретной схемы не приведено, я взял наихудший случай.
Если ток через СИД будет равен 1А, то через шоттку при к-те заполнения 0,5 половину цикла будет течь ток, равный 2А (ток дросселей считаем постоянным). Что вызовет падение напряжения на нём порядка 0,65В. При этом потери составят 325 мВт, что, конечно, меньше потерь на постоянном токе в 1,4 раза, но сравнимо с потерями на обоих силовых транзисторах LTC-шки. Прибавьте к этому потери на силовом ключе, а также в двух дросселях, и всё равно получите КПД ниже.
Приятного бонуса для умирающей батарейки (из 3-х элементов) не получится, ибо при этом сильно возрастут потери в ключе на транзисторе, приведённом Вами (транзистор хороший, не спорю, но только порог включения великоват для таких применений).
В общем, предлагаю Вам нарисовать "рабочую" схему SEPIC драйвера, а потом обсудить её достоинства и недостатки.

...Динамические потери в данном случае будут определяться длительностью активного состояния ключей, которое составляет, согласно описанию, 150 нс.

Мне кажется, что Вы ошиблись с переводом. Если это не так, ткните носом, где это написано, пожалуйста.
PS. Если под активным состоянием подразумевается включенное (conductive), то каким образом эта величина может влиять на динамические потери?

...Для простоты - при одинаковых входном и выходном напряжениях =4В динамические потери будут равны 0,5*V*I*DC4sw=300мВт. В сумме:
- статические 300 мВт;
- динамические 300 мВт;
- на токосъёмном резисторе 100 мВт
Итого 700 мВт, что даёт кпд 85%. По графику - на 2-3% меньше, каковые, очевидно, расходуются на дросселе.

Нет, не совсем правильно.
Во-первых, КПД в пограничном регионе у М/С минимален и составляет 82-83 %, что, по-видимому, определяется увеличением статических потерь на транзисторах и, в особенности, обратных диодах. Динамические потери будут также больше, примерно в 2 раза, но они особой роли не сыграют.
Во-вторых, из графика на первой странице видно, что КПД при выходном токе 150мА в переходном режиме (Vin=3,8В) составляет около 93 %, что соответствует общим потерям в 280 мВт. Теперь из них нужно вычесть статические, а также потери в дросселе, что весьма затруднительно (у меня по первой прикидке получилось более 100мВт).
Впрочем, признаю, что ошибся - динамические потери в ключах могут превышать 50 мВт - при подсчёте на 3,8 умножить забыл...
Увеличение индуктивности дросселя до ~20мкГ даст прибавку КПД в 2-3%, думается. Если навесить внешние шоттки - ещё пару процентов выиграем в переходном режиме.
Завтра постараюсь посчитать аккуратнее...

...Для SEPIC динамические потери при прочих равных условиях будут в 2 раза меньше (в 4 раза потому что один ключ, но через него течёт удвоенный ток нагрузки).

Динамические потери в силовых ПТ от тока нагрузки зависят слабо (если они достаточно шустрые, и драйверы затворов хорошие).

...Потери в драйверах - вещь неоднозначная, у одиночного низкоомного ключа они, возможно, будут больше, но ведь и ключ один, а не четыре.

Не спорю. Но все четыре транзистора работают только в переходном режиме; в остальных случаях - только 2 из них.
Кроме того, у таких мелких транзюков тотальный заряд затвора составляет что-нить около 1-2 нКл при 4В, что делает потери в драйверах затворов ничтожно малыми.

Работать будет от 4-6 никель-металлгидридных пальчиковых аккумуляторов.

Тогда степ-даун, однозначно. Если не удастся найти светодиодный драйвер, можно и с усилителем.

...От 5 аккумуляторов при падении напряжения на нагрузке 3.3В и токе 0.3А КПД получается порядка 81-82% без выходного конденсатора и 78-80% с выходным конденсатором. Мультиметр, однако, весьма неточен, поэтому утверждать, что КПД действительно зависит от наличия или отсутствия выходного конденсатора не буду.

5 аккумуляторов, вообще говоря, не нужно - достаточно четырёх. Только придётся ещё сделать схему отключения преобразователя при падении напряжения на них < ~2,7В, чтобы не переразрядить.

...В связи с этим вопрос: а нужен ли этот конденсатор? Его отсутствие позволит уменьшить габариты и (теоретически) повысить КПД, а светодиод, насколько я понял, спокойно относится к высокочастотному пульсирующему питанию.
Кроме того, имеет ли значение, какие конденсаторы ставить, и если да - какие лучше - электролит или керамика?

1. Кондёр нужен обязательно. Питание светодиода импульсным током, превышающем в пике максимально допустимое значение, быстро приведёт к его деградации (падению яркости). Всё-таки, какой СИД собираетесь пользовать?
2. Лучше всего поставить недорогой тантал.

...Обнаружил, что схема странно себя ведет под нагрузкой. Если на холостом ходу все происходит в точном соответствии с даташитом (т.е. напряжение на входе ОС поддерживается равным 1.23В), то под нагрузкой наблюдается сильная просадка выходного напряжения и напряжение на входе ОС становится уже 1.05-1.1В. Подскажите, чем это можно объяснить?
Возможно, дело в неоптимальном выборе индуктивности - в ближайшее же время заменю ее самонамотанной, однако токи не так велики, чтобы это имело большое значение. Хотя я могу ошибаться.

Приведите схему, пожалуйста. Со всеми номиналами.

[wim]

Конечно, потери в диоде будут зависеть от скважности импульсов тока, через него текущего. Но, так как конкретной схемы не приведено, я взял наихудший случай.
Если ток через СИД будет равен 1А, то через шоттку при к-те заполнения 0,5 половину цикла будет течь ток, равный 2А (ток дросселей считаем постоянным). Что вызовет падение напряжения на нём порядка 0,65В. При этом потери составят 325 мВт, что, конечно, меньше потерь на постоянном токе в 1,4 раза, но сравнимо с потерями на обоих силовых транзисторах LTC-шки.

Согласен, и даже больше – потери будут 0,65*2*0,5=0,65 Вт. Значит, шоттка отпадает.

Мне кажется, что Вы ошиблись с переводом. Если это не так, ткните носом, где это написано, пожалуйста.
PS. Если под активным состоянием подразумевается включенное (conductive), то каким образом эта величина может влиять на динамические потери?

с. 7:
When VIN approaches VOUT, the buck-boost region is reached where the conduction time of the four switch region is typically 150ns.
Я понимаю это как суммарное время переключения одной и второй пары ключей, каковое время далее указано как ограничение максимального коэффициента заполнения в переходной области. Из рис. 1 следует, что в каждом интервале периода коммутации к паре последовательно соединённых ключей прикладывается сумма входного и выходного напряжений. Считая, что напряжения на верхнем и нижнем ключах распределяются примерно поровну, эквивалентную схему для расчёта динамических потерь в переходной области можно представить в виде последовательно соединённых источника напряжения равного полусумме входного и выходного напряжений, ключа с временем переключения 150 нс и нагрузки 1 А, откуда и получены 300 мВт для Vin=4 В.
PS. Под активным состоянием подразумевается процесс включения (выключения), показанный на картинке, каковой процесс аппроксимируется линейным изменением напряжения на ключе и тока в нём. Мощность потерь пропорциональна коммутируемым напряжению и току и длительности процесса переключения и обратно пропорциональна частоте коммутации.

Динамические потери в силовых ПТ от тока нагрузки зависят слабо (если они достаточно шустрые, и драйверы затворов хорошие).

Если мы говорим об одном и том же, то прямо пропорциональны току нагрузки.

В общем, предлагаю Вам нарисовать "рабочую" схему SEPIC драйвера, а потом обсудить её достоинства и недостатки.

Задача получения максимального кпд сама по себе интересна. Как-нибудь дождливым осенним вечером можно будет попробовать …

Прикрепленные файлы

 loss.zip ( 17.07 килобайт ) Кол-во скачиваний: 55