RU2849910C2

RU2849910C2 - Network power driver for led module

Info

Publication number: RU2849910C2
Application number: RU2023112715A
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Силкин
Original assignee: Евгений Михайлович Силкин
Filing date: 2023-05-16
Publication date: 2025-11-01

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: said technical result is achieved by the fact that in the network power driver for the LED module, comprising a highly integrated digital-to-analogue pulse DC controller (1) with terminals ACN (ACIN.ACIN1), ACL (ACIN.ACIN2), HV, GND, NC (OTP.ROTP.OVP.ROVP), CS and SW (DRAIN), terminals ACN (ACIN.ACIN1), ACL (ACIN.ACIN2) are connected to input terminals of driver through protective module (2), HV terminal is connected to GND terminal through capacitor (3) having capacitance C₁, and NC (OTP.ROTP.OVP.ROVP) and CS terminals are connected to GND terminal, respectively, through resistor (4) and second resistor (5). Between outputs HV and SW (DRAIN) there is a series circuit of throttle (6), output terminals of driver and second throttle (7). Driver output terminals are shunted by second capacitor (8) having capacitance C₂ and third resistor (9). Capacities of capacitor 3 and second capacitor 8 are related by relationship C₁ C₂ ^1/3=k C, where k is a dimensionless normalizing coefficient taking numerical values from 0.7 to 2.1, and C is a dimensional constant with a numerical value of 2.22. In the network power driver for the LED module, throttle 6 and second throttle 7 can be magnetically coupled.

EFFECT: increase in the efficiency and power factor, improvement of the shape factor and reduction of the harmonic coefficient of the current consumed from the mains, as well as reducing the ratio of the starting current of the device at a given pulsation coefficient of the output current (light flux of the LED module).

2 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании новых энергоэффективных источников питания (драйверов) для светодиодных ламп, а также других типов устройств электроснабжения знакопостоянного тока малой и средней мощности различных потребителей с емкостными фильтрами и нагрузками емкостного характера от сети переменного тока. Изобретение направлено на оптимизацию и увеличение коэффициентов полезного действия и мощности драйверов (источников питания) светодиодных модулей или отдельных (единичных) светодиодов и светодиодных матриц, а также на улучшение коэффициента формы, снижение коэффициента гармоник потребляемого от сети тока и кратности тока запуска.This invention relates to electrical engineering and can be used in the design of new energy-efficient power supplies (drivers) for LED lamps, as well as other types of devices for supplying low- and medium-power DC power to various consumers with capacitive filters and capacitive loads from an AC network. The invention is aimed at optimizing and increasing the efficiency and power of drivers (power supplies) for LED modules or individual LEDs and LED matrices, as well as improving the form factor, reducing the harmonic distortion factor of the current drawn from the network, and the starting current ratio.

Известен сетевой драйвер питания для светодиодного модуля, содержащий высоко-интегрированный цифроаналоговый импульсный контроллер постоянного тока с двумя выводами ACIN, выводами HV, GND, OTP, CS и DRAIN, выводы ACIN подключены к входным выводам драйвера через защитный модуль, вывод HV соединен с выводом GND через конденсатор, имеющий емкость C₁, а выводы OTP и CS присоединены к выводу GND, соответственно, через резистор и второй резистор, между выводами HV и DRAIN включена последовательная цепь из выходных выводов драйвера и дросселя, выходные выводы драйвера зашунтированы вторым конденсатором, имеющим емкость С₂ (KP1077XWP Non-isolated QR Buck LED Power Switch with External OTP. https://www.ki-wiinst.com).A network power driver for an LED module is known, comprising a highly integrated digital-analog pulse constant current controller with two ACIN terminals, HV, GND, OTP, CS and DRAIN terminals, the ACIN terminals are connected to the input terminals of the driver through a protective module, the HV terminal is connected to the GND terminal through a capacitor having a capacitance of C ₁ , and the OTP and CS terminals are connected to the GND terminal, respectively, through a resistor and a second resistor, a series circuit of the output terminals of the driver and a choke is connected between the HV and DRAIN terminals, the output terminals of the driver are shunted by a second capacitor having a capacitance of C ₂ (KP1077XWP Non-isolated QR Buck LED Power Switch with External OTP. https://www.ki-wiinst.com).

Аналогичное схемотехническое решение имеют неизолированные сетевые драйверы с использованием высокоинтегрированных цифроаналоговых импульсных контроллеров постоянного тока серий KP1059, KP1070XQWPA, KP1075, KP1076, KP1079, KP1199X, KP1271, KP1272, KP1276XF (и других данного производителя Kiwi Instruments Corp.). Термин «высокоинтегрированный» означает наличие встроенного в корпус однофазного моста на диодах. Возможность и необходимость встраивания силового моста (повышения уровня интеграции), а также дополнительно элементов пассивных корректоров коэффициента мощности была высказана заявителем в 2008 году. Однако элементы пассивных корректоров коэффициента мощности до настоящего времени не устанавливаются в корпуса интегральных цифроаналоговых импульсных контроллеров. Обозначения некоторых выводов одинакового назначения высокоинтегрированных цифроаналоговых импульсных контроллеров у разных производителей могут отличаться, что не изменяет принципа их функционирования и типовой схемотехнической реализации драйвера. Отличия в схемотехнической реализации (например, наличие и отсутствие резистора, второго конденсатора, третьего резистора, шунтирующего второй конденсатор в схеме включения контроллера) являются несущественными и не изменяют принципа работы «прямоходового однотактного» понижающего ШИМ-конвертора с квазирезонансной коммутацией на интегральной полевой транзисторной структуре. С использованием рассмотренных контроллеров реализуются также и варианты изолированных сетевых драйверов (нагрузочная цепь подключается через развязывающий согласующий трансформатор). Индуктивность развязывающего трансформатора может дополнительно выполнять и функцию ограничивающего ток дросселя. На выводы ACIN (соединены с входами переменного тока встроенного диодного моста) подается сетевое переменное напряжение через защитный модуль. Выводы ACIN могут иметь, в частности, обозначения ACIN1, ACIN2, ACN, ACL для разных типов контроллеров одного или разных производителей. Выходы положительного и отрицательного потенциалов однофазного моста, соответственно, соединены с выводами HV и GND контроллера. Вывод HV может иметь обозначение VIN. Вывод OTP служит для подключения резистора задания максимальной температуры интегральной структуры контроллера. Указанный вывод может иметь обозначения ROTP, OVP или ROVP (задание предельного уровня напряжения на выходных выводах драйвера), и NC (не подключаемый, свободный вывод для контроллеров с встроенными задатчиками температуры и выходного напряжения). К выводу CS подключается второй резистор задания амплитудного значения импульса тока через нагрузочную цепь (цепь дросселя). К выводу DRAIN в типовых схемах устройства всех выпускаемых контроллеров разных производителей подключается ограничивающий дроссель. Вывод DRAIN может иметь обозначение SW. Защитный модуль представляет собой обычный или полупроводниковый (самовосстанавливающийся) предохранитель, либо узел с дополнительными индуктивными и емкостными элементами, включенными по любым известным Г, Т, П- образным схемам, обеспечивающим электромагнитную совместимость драйвера с питающей сетью. Конденсатор и второй конденсатор служат для сглаживания знакопостоянных напряжений на выходе моста и выходных выводах драйвера. Величины их емкостей, соответственно, C₁ и С₂ влияют на значения коэффициентов полезного действия, мощности и пульсации выходного тока, а также совместимость с питающей сетью и нагрузкой. Величины емкостей C₁, С₂ должны обеспечивать максимально возможные значения коэффициентов мощности и полезного действия, и минимальный (или разрешенный) коэффициент пульсаций выходного тока для требуемого диапазона допустимого изменения входного (сетевого) напряжения при заданном выходном напряжении на светодиодном модуле. При этом необходимо всегда стремиться к использованию конденсаторов минимальной возможной (допустимой) емкости и минимальному их рабочему напряжению. Таким образом, значения емкостей C₁ и С₂ должны быть минимально достаточными для обеспечения высоких значений коэффициентов полезного действия и мощности, и допустимых значений коэффициента пульсации выходного тока. Увеличение емкости конденсатора C₁ приводит к снижению коэффициентов мощности и пульсаций. Увеличение емкости C₂ может обеспечивать снижение коэффициента пульсаций выходного тока драйвера, но привести к снижению коэффициента полезного действия устройства. Как правило второй конденсатор в типовых решениях не оптимизируется и его емкость С₂ составляет от 0,001 до 1 мкФ. Следует учитывать конструкцию светодиодного модуля (нагрузки), который в определенных условиях может обладать собственной емкостью и индуктивностью.A similar circuit design is used in non-isolated network drivers using highly integrated digital-to-analog DC pulse controllers of the KP1059, KP1070XQWPA, KP1075, KP1076, KP1079, KP1199X, KP1271, KP1272, KP1276XF series (and others from this manufacturer, Kiwi Instruments Corp.). The term "highly integrated" refers to the presence of a single-phase diode bridge integrated into the housing. The possibility and necessity of integrating a power bridge (increasing the level of integration), as well as additional passive power factor corrector elements, was expressed by the applicant in 2008. However, passive power factor corrector elements have not yet been installed in the housings of integrated digital-to-analog pulse controllers. The designations of some pins for identical functions on highly integrated digital-to-analog pulse controllers may vary across manufacturers, but this does not alter their operating principle or the typical driver circuit design. Differences in circuit design (e.g., the presence or absence of a resistor, a second capacitor, or a third resistor shunting the second capacitor in the controller's circuit diagram) are insignificant and do not alter the operating principle of the forward, single-ended, step-down PWM converter with quasi-resonant switching on an integrated field-effect transistor structure. Isolated network driver designs are also implemented using the controllers discussed above (the load circuit is connected via an isolation matching transformer). The isolation transformer's inductance can also serve as a current-limiting choke. AC line voltage is supplied to the ACIN pins (connected to the AC inputs of the integrated diode bridge) through a protective module. The ACIN pins may be designated, in particular, ACIN1, ACIN2, ACN, or ACL for different types of controllers from the same or different manufacturers. The positive and negative potential outputs of the single-phase bridge are connected to the HV and GND pins of the controller, respectively. The HV pin may be designated VIN. The OTP pin is used to connect the resistor for setting the maximum temperature of the controller's integrated structure. This pin may be designated ROTP, OVP, or ROVP (setting the maximum voltage level at the driver output pins), and NC (a non-connectable, free pin for controllers with built-in temperature and output voltage setpoints). The second resistor for setting the amplitude of the current pulse through the load circuit (the choke circuit) is connected to the CS pin. A limiting choke is connected to the DRAIN pin in typical device diagrams of all controllers produced by different manufacturers. The DRAIN pin may be designated SW. The protective module is a conventional or semiconductor (self-healing) fuse, or a unit with additional inductive and capacitive elements connected in any of the known G, T, or U-shaped circuits, ensuring electromagnetic compatibility of the driver with the power supply network. The capacitor and the second capacitor serve to smooth out constant-sign voltages at the bridge output and the driver output terminals. The values of their capacitances, _C1 and _C2 , respectively, affect the values of the efficiency, power, and output current ripple, as well as compatibility with the power supply network and load. The values of the capacitances _C1 and _C2 must ensure the highest possible values of the power factor and efficiency, and the minimum (or permitted) output current ripple coefficient for the required range of permissible input (line) voltage variation at a given output voltage on the LED module. In this case, it is necessary to always strive to use capacitors with the minimum possible (permissible) capacitance and their minimum working voltage. Therefore, the capacitance values of _C1 and _C2 should be minimally sufficient to ensure high efficiency and power factors, and acceptable output current ripple values. Increasing the capacitance of capacitor _C1 leads to a reduction in power factors and ripple. Increasing the capacitance of _C2 can reduce the driver's output current ripple factor, but lead to a decrease in the device's efficiency. Typically, the second capacitor in standard solutions is not optimized, and its capacitance, _C2, ranges from 0.001 to 1 μF. The design of the LED module (load), which under certain conditions may have its own capacitance and inductance, should be taken into account.

Недостатком известного сетевого драйвера питания для светодиодного модуля является сравнительно низкие коэффициент полезного действия и мощности, высокие коэффициент формы, коэффициент гармоник потребляемого от сети тока и высокая кратность тока запуска. Обычно в сетевых драйверах (230 В, 50 Гц) на мощность в несколько Ватт (десятков Ватт) для светодиодных модулей емкость C₁ составляет 3…15 мкФ, емкость C₂ - 0,01…1,0 мкФ. Коэффициент полезного действия драйвера может быть от 80 до 90%, коэффициент мощности - 0,5…0,6. При этом коэффициент формы и кратность (бросок тока при запуске устройства, обусловленный зарядом емкости C₁) входного тока завышены, а коэффициент гармоник потребляемого от сети тока может быть более 135%.The disadvantage of the known line-power driver for LED modules is the relatively low efficiency and power factor, high form factor, harmonic distortion factor of the current consumed from the line, and a high multiple of the starting current. Typically, in line-power drivers (230 V, 50 Hz) for a power of several watts (tens of watts) for LED modules, the capacitance C ₁ is 3...15 μF, and the capacitance C ₂ is 0.01...1.0 μF. The driver efficiency can range from 80 to 90%, and the power factor is 0.5...0.6. At the same time, the form factor and multiple (current surge during device startup, caused by the charge of the capacitance C ₁ ) of the input current are overestimated, and the harmonic distortion factor of the current consumed from the line can exceed 135%.

Известен сетевой драйвер питания для светодиодного модуля, содержащий высоко-интегрированный цифроаналоговый импульсный контроллер постоянного тока с выводами ACIN1, ACIN2, VIN, GND, NC, CS и DRAIN, выводы ACIN1, ACIN2 подключены к входным выводам драйвера, вывод VIN соединен с выводом GND через конденсатор, имеющий емкость C₁, вывод NC разомкнут, резистор отсутствует или имеет большое сопротивление, а вывод CS присоединен к выводу GND через второй резистор, между выводами VIN и DRAIN включена последовательная цепь из выходных выводов драйвера и дросселя, выходные выводы драйвера зашунтированы вторым конденсатором, имеющим емкость С₂ и третьим резистором (JWB1992N Non-isolated Buck LED Driver Regulator. https://en.publicxin.com>product/108.html).A network power driver for an LED module is known, comprising a highly integrated digital-analog pulse constant current controller with terminals ACIN1, ACIN2, VIN, GND, NC, CS and DRAIN, terminals ACIN1, ACIN2 are connected to the input terminals of the driver, the VIN terminal is connected to the GND terminal through a capacitor having a capacitance C ₁ , the NC terminal is open, the resistor is absent or has a high resistance, and the CS terminal is connected to the GND terminal through a second resistor, a series circuit of the output terminals of the driver and a choke is connected between the VIN and DRAIN terminals, the output terminals of the driver are shunted by a second capacitor having a capacitance C ₂ and a third resistor (JWB1992N Non-isolated Buck LED Driver Regulator. https://en.publicxin.com>product/108.html).

Достоинством контроллера JWB1992N является высокое качество встроенного отсекающего диода, шунтирующего встречно клеммы выводов VIN и DRAIN, позволяющее в некоторых типоисполнениях значительно уменьшить величину емкости С₂ второго конденсатора, либо исключить его совсем (драйверы для линейных светодиодных ламп). Контроллер серийно производится компанией JoulWatt technology Inc. Третий резистор в устройстве служит для разряда емкости С₂ второго конденсатора, и при отсутствии последнего также может быть исключен из схемы. Схемотехническое решение упрощается, а коэффициент полезного действия и надежность работы могут возрасти. Распределенная емкость светодиодного модуля является при этом достаточной для компенсации отсутствия емкости С₂. Третий резистор не является обязательным элементом схемы драйвера, если устройство не разбираемое и не ремонтируемое. Его наличие может уменьшать коэффициент полезного действия драйвера.The advantage of the JWB1992N controller is the high-quality built-in cut-off diode, which shunts the VIN and DRAIN terminals in opposite directions. In some designs, this allows for a significant reduction in the capacitance of the second capacitor, _C2 , or even its complete elimination (drivers for linear LED lamps). The controller is mass-produced by JoulWatt Technology Inc. The third resistor in the device serves to discharge the capacitance of the second capacitor, _C2 , and can also be omitted from the circuit if the latter is missing. This simplifies the circuit design, while efficiency and reliability can be increased. The distributed capacitance of the LED module is sufficient to compensate for the absence of capacitance _C2 . The third resistor is not a required element of the driver circuit if the device is not disassemblable and cannot be repaired. Its presence may reduce the driver's efficiency.

Недостатком известного сетевого драйвера питания для светодиодного модуля является сравнительно низкие коэффициент полезного действия и мощности, высокие коэффициент формы, коэффициент гармоник потребляемого от сети тока и высокая кратность тока запуска. Обычно в сетевых драйверах (230 В, 50 Гц) на мощность в несколько Ватт (десятков Ватт) для светодиодных модулей емкость C₁ составляет 3…15 мкФ, емкость С₂ - 10 нФ. Коэффициент полезного действия драйвера может быть от 85 до 90%, коэффициент мощности - 0,53…0,56. При этом коэффициент формы и кратность (бросок тока при запуске устройства) входного тока завышены, а коэффициент гармоник может быть равен 130…135%.The disadvantage of the well-known line-power driver for LED modules is the relatively low efficiency and power factor, high form factor, harmonic distortion factor of the current consumed from the line, and a high starting current multiple. Typically, in line-power drivers (230 V, 50 Hz) for several watts (tens of watts) for LED modules, the capacitance _C1 is 3...15 μF, and the capacitance _C2 is 10 nF. The driver efficiency can range from 85 to 90%, and the power factor is 0.53...0.56. However, the form factor and multiple (current surge during device startup) of the input current are overestimated, and the harmonic distortion factor can be equal to 130...135%.

Известен сетевой драйвер питания для светодиодного модуля, содержащий высоко-интегрированный цифроаналоговый импульсный контроллер постоянного тока с выводами ACN, ACL, HV, GND, NC, CS и SW, выводы ACN, ACL подключены к входным выводам драйвера через защитный модуль, вывод HV соединен с выводом GND через конденсатор, имеющий емкость C₁, вывод NC разомкнут, резистор отсутствует или имеет большое сопротивление, вывод CS присоединен к выводу GND через второй резистор, между выводами HV и SW включена последовательная цепь из выходных выводов драйвера и дросселя, выходные выводы драйвера зашунтированы вторым конденсатором, имеющим емкость С2, и третьим резистором (Интегрированный неизолированный понижающий светодиодный драйвер постоянного тока РТ4557. https://www.crpowtech.com).A network power driver for an LED module is known, comprising a highly integrated digital-to-analog pulse constant current controller with terminals ACN, ACL, HV, GND, NC, CS and SW, the terminals ACN, ACL are connected to the input terminals of the driver through a protective module, the terminal HV is connected to the terminal GND through a capacitor having a capacitance _C1 , the terminal NC is open, the resistor is absent or has a high resistance, the terminal CS is connected to the terminal GND through a second resistor, a series circuit of the output terminals of the driver and the choke is connected between the terminals HV and SW, the output terminals of the driver are shunted by a second capacitor having a capacitance C2, and a third resistor (Integrated non-isolated step-down LED constant current driver PT4557. https://www.crpowtech.com).

Контроллер РТ4557 серийно выпускается компанией CrpowTech Inc. Достоинством контроллера является высокое качество выходного силового каскада на полевой структуре, обеспечивающее повышенный коэффициент полезного действия устройств на его основе и возможность оптимизации параметров элементов для повышения основных показателей качества сетевых драйверов.The RT4557 controller is mass-produced by CrpowTech Inc. The controller's advantage is the high-quality output power stage on a field-effect structure, ensuring increased efficiency of devices based on it and the ability to optimize component parameters to improve the key performance indicators of network drivers.

Известный сетевой драйвер питания для светодиодного модуля является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.The well-known network power driver for an LED module is the closest in technical essence to the invention and was selected as a prototype.

Недостатком известного сетевого драйвера питания для светодиодного модуля является сравнительно низкие коэффициент полезного действия и мощности, высокие коэффициент формы, коэффициент гармоник потребляемого от сети тока и высокая кратность тока запуска. Как правило в сетевых драйверах (сеть 230 В, 50 Гц) на мощность в несколько Ватт (десятков Ватт) для светодиодных модулей емкость C₁ составляет 4,7…15 мкФ, емкость С₂ - 1 нФ. Коэффициент полезного действия драйвера может быть от 85 до 90%, коэффициент мощности - 0,53…0,56. При этом коэффициент формы и кратность (бросок тока при запуске устройства) входного тока завышены, а коэффициент гармоник может быть равен 130…138%. Конструктивным недостатком драйвера, снижающим коэффициент полезного действия серийных устройств, является в том числе не оптимальная конструкция дросселя и типовая схема его включения, а также относительно большие значения емкости C₁ конденсатора, что и приводит к ухудшению энергетических характеристик и электромагнитной совместимости устройства с питающей сетью.The disadvantage of the well-known line-powered LED module driver is its relatively low efficiency and power factor, high form factor, harmonic distortion factor of the current consumed from the line, and high starting current multiplicity. As a rule, in line-powered drivers (230 V, 50 Hz network) for a power of several watts (tens of watts) for LED modules, the capacitance _C1 is 4.7...15 μF, and the capacitance _C2 is 1 nF. The driver efficiency can range from 85 to 90%, and the power factor is 0.53...0.56. However, the form factor and multiplicity (current surge during device startup) of the input current are overestimated, and the harmonic distortion factor can be equal to 130...138%. The design flaw of the driver, which reduces the efficiency of serial devices, includes, among other things, the non-optimal design of the choke and the typical circuit for its connection, as well as the relatively large values of the capacitance _C1 of the capacitor, which leads to a deterioration in the energy characteristics and electromagnetic compatibility of the device with the power supply network.

Изобретение направлено на решение задачи повышения энергетической эффективности устройства (коэффициент эффективности - одна сотая часть от произведения коэффициента полезного действия на коэффициент мощности системы электропитания) при сохранении оптимальных характеристик по электромагнитной совместимости и пульсаций выходного тока драйвера (светового потока светодиодного модуля), что является целью изобретения. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия и коэффициента мощности, улучшении коэффициента формы и снижении коэффициента гармоник потребляемого от сети тока, а также уменьшении кратности пускового тока устройства при заданном коэффициенте пульсации выходного тока (светового потока светодиодного модуля).The invention is aimed at solving the problem of increasing the energy efficiency of a device (the efficiency coefficient is one hundredth of the product of the efficiency coefficient and the power factor of the power supply system) while maintaining optimal characteristics in terms of electromagnetic compatibility and pulsations of the output current of the driver (luminous flux of the LED module), which is the purpose of the invention. The technical result consists in increasing the efficiency coefficient and the power factor, improving the form factor and reducing the harmonic distortion factor of the current consumed from the network, as well as reducing the multiplicity of the starting current of the device for a given pulsation coefficient of the output current (luminous flux of the LED module).

Указанная цель и технический результат достигаются тем, что в сетевом драйвере питания для светодиодного модуля, содержащем высокоинтегрированный цифроаналого-вый импульсный контроллер постоянного тока с выводами ACN(ACIN.ACIN1), ACL(ACIN.ACIN2), HV(VIN), GND, NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP), CS и SW(DRAIN), выводы ACN(ACIN.ACIN1), ACL(ACIN.ACIN2) подключены к входным выводам драйвера через защитный модуль, вывод HV(VIN) соединен с выводом GND через конденсатор, имеющий емкость C₁, а выводы NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP) и CS присоединены к выводу GND, соответственно, через резистор и второй резистор, между выводами HV и SW(DRAIN) включена последовательная цепь из дросселя, выходных выводов драйвера и второго дросселя, выходные выводы драйвера зашунтированы вторым конденсатором, имеющим емкость С₂, и третьим резистором, емкости конденсатора и второго конденсатора связаны соотношением C₁ С₂ ^1/3 = к С, где к - безразмерный нормирующий коэффициент, принимающий численные значения от 0,7 до 2,1, а С - размерная константа с численным значением 2,22, при этом дроссель и второй дроссель могут быть выполнены магнитосвязанными.The said objective and technical result are achieved by the fact that in a network power driver for an LED module containing a highly integrated digital-to-analog pulsed DC controller with terminals ACN(ACIN.ACIN1), ACL(ACIN.ACIN2), HV(VIN), GND, NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP), CS and SW(DRAIN), the terminals ACN(ACIN.ACIN1), ACL(ACIN.ACIN2) are connected to the input terminals of the driver through a protective module, the terminal HV(VIN) is connected to the GND terminal through a capacitor having a capacitance of _C1 , and the terminals NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP) and CS are connected to the GND terminal, respectively, through a resistor and a second resistor, a series circuit of a choke, the output terminals of the driver and a second choke is connected between the terminals HV and SW(DRAIN), the output terminals of the driver are shunted by a second capacitor having a capacitance of _C2 , and the third resistor, the capacitances of the capacitor and the second capacitor are related by the ratio C ₁ C ₂ ^1/3 = k C, where k is a dimensionless normalizing coefficient that takes numerical values from 0.7 to 2.1, and C is a dimensional constant with a numerical value of 2.22, while the choke and the second choke can be made magnetically coupled.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является оптимизация предельного коэффициента эффективности устройств на основе высокоинтегрированных цифроаналоговых импульсных контроллеров постоянного тока, повышение их коэффициента полезного действия до 91…95%, коэффициента мощности до 0,97…0,98, улучшение коэффициента формы, снижения уровня гармоник потребляемого от сети тока до 12…14% и кратности пускового тока более, чем в два раза, при коэффициенте пульсаций светового потока 1…5%, за счет изменения принципа оптимизации параметров и функционирования устройства, улучшения технических характеристик и возможных вариантов их конструктивного исполнения, коррекции схемы включения, улучшения параметров, разделения дросселей. Устройства с заявляемыми принципами выполнения и оптимизации параметров имеют низкий уровень радиопомех и излучений, обладают улучшенным коэффициентом формы потребляемого от сети тока и сравнительно низким коэффициентом гармоник потребляемого тока (>14%), обеспечивают малые броски (кратность) пускового тока. Кратности токов запуска существенно снижаются (при одинаковых, сравнимых параметрах и условиях), а также могут быть уменьшены амплитуды входных рабочих токов. Снижается на 50…60% уровень эффективного потребляемого устройством от сети тока (при выполнении на заданную мощность) и коммутационные потери в силовых элементах, в частности, в диодах встроенного в контроллер силового моста. Емкости и максимальные значения напряжений на конденсаторах могут уменьшены, что дополнительно повышает надежность работы драйверов.A significant difference characterizing the invention is the optimization of the ultimate efficiency factor of devices based on highly integrated digital-to-analog pulsed DC controllers, an increase in their efficiency factor to 91...95%, a power factor to 0.97...0.98, an improvement in the form factor, a decrease in the level of harmonics of the current consumed from the network to 12...14% and a more than twofold reduction in the inrush current multiplicity, with a luminous flux pulsation factor of 1...5%, due to a change in the principle of optimization of the parameters and operation of the device, improvement of the technical characteristics and possible variants of their design, correction of the connection circuit, improvement of the parameters, and separation of chokes. Devices with the claimed principles of implementation and optimization of the parameters have a low level of radio interference and emissions, have an improved form factor of the current consumed from the network and a comparatively low coefficient of harmonics of the consumed current (>14%), provide small surges (multiplicity) of the inrush current. Start-up current ratios are significantly reduced (under identical, comparable parameters and conditions), and input operating current amplitudes can also be reduced. The effective current consumed by the device from the mains (when operating at a specified power level) is reduced by 50-60%, as are switching losses in power components, particularly in the diodes of the controller's integrated power bridge. Capacitances and maximum voltage values on capacitors can be reduced, further improving the reliability of the drivers.

Повышение коэффициентов полезного действия и коэффициента мощности (коэффициента эффективности), оптимизация коэффициента формы потребляемого тока устройств, снижение коэффициента гармоник потребляемого от сети тока, уменьшение кратности пускового тока и снижение амплитуд и эффективного рабочего тока, повышение надежности работы систем электроснабжения и электропитания (драйверов) светодиодных модулей обусловлено новыми принципами устройства и новой конструкцией, новой электрической схемой, оптимизацией параметров элементов, новыми элементами и связями, то есть, отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого сетевого драйвера питания для светодиодного модуля являются существенными.Improved efficiency and power factor (efficiency factor), optimized current shape factor, reduced harmonic distortion factor of mains current, reduced inrush current ratios, reduced amplitudes and effective operating current, and improved reliability of power supply systems and LED module power supplies (drivers) are achieved through new design principles and a new electrical circuit, optimized component parameters, and new components and connections—in short, the distinctive features of the invention. Thus, the distinctive features of the claimed network power driver for an LED module are significant.

На фигуре приведена типовая электрическая схема сетевого драйвера питания для светодиодного модуля на основе высокоинтегрированного цифроаналогового импульсного контроллера постоянного тока.The figure shows a typical electrical circuit diagram of a network power driver for an LED module based on a highly integrated digital-to-analog DC pulse controller.

Сетевой драйвер питания для светодиодного модуля, содержит высокоинтегриро-ванный цифроаналоговый импульсный контроллер постоянного тока (1) с выводами ACN(ACIN.ACIN1), ACL(ACIN.ACIN2), HV(VIN), GND, NC(OTP.ROTP. OVP.ROVP), CS и SW(DRAIN), выводы ACN(ACIN.ACIN1), ACL(ACIN.ACIN2) подключены к входным выводам драйвера через защитный модуль (2), вывод HV(VIN) соединен с выводом GND через конденсатор (3), имеющий емкость C₁, а выводы NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP) и CS присоединены к выводу GND, соответственно, через резистор (4) и второй резистор (5), между выводами HV(VIN) и SW(DRAIN) включена последовательная цепь из дросселя (6), выходных выводов драйвера и второго дросселя (7), выходные выводы драйвера за-шунтированы вторым конденсатором (8), имеющим емкость С₂, и третьим резистором (9), емкости конденсатора 3 и второго конденсатора 8 связаны соотношением C₁ С₂ ^1/3 = к С, где к - безразмерный нормирующий коэффициент, принимающий численные значения от 0,7 до 2,1, а С - размерная константа с численным значением 2,22. В сетевом драйвере питания для светодиодного модуля дроссель 6 и второй дроссель 7 могут быть выполнены магнитосвязанными.The network power driver for the LED module contains a highly integrated digital-to-analog pulse constant current controller (1) with terminals ACN (ACIN.ACIN1), ACL (ACIN.ACIN2), HV (VIN), GND, NC (OTP.ROTP. OVP.ROVP), CS and SW (DRAIN), the terminals ACN (ACIN.ACIN1), ACL (ACIN.ACIN2) are connected to the input terminals of the driver through a protective module (2), the terminal HV (VIN) is connected to the GND terminal through a capacitor (3) having a capacitance C ₁ , and the terminals NC (OTP.ROTP.OVP.ROVP) and CS are connected to the GND terminal, respectively, through a resistor (4) and a second resistor (5), between the terminals HV (VIN) and SW (DRAIN) a series circuit is included from a choke (6), the output terminals of the driver and a second choke (7), the output terminals of the driver are shunted by a second capacitor (8), having a capacitance _C2 , and the third resistor (9), the capacitances of capacitor 3 and the second capacitor 8 are related by ^{the ratio C1C2 1/3} ₌ _kC , where k is a dimensionless normalizing coefficient that takes numerical values from 0.7 to 2.1, and C is a dimensional constant with a numerical value of 2.22. In the network power driver for the LED module, the choke 6 and the second choke 7 can be made magnetically coupled.

Нормировка (коэффициент к) учитывает технологический разброс характеристик контроллеров и различие в величинах емкостей стандартных рядов емкостей и рабочих напряжений серийно выпускаемых конденсаторов. В частности, для импульсных электролитических конденсаторов (которые широко используются в серийных устройствах рассматриваемой области техники) стандартный ряд емкостей может быть следующим: 1,0; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 и 10… мкФ. Величины емкостей конденсаторов C₁ и С₂ должны выбираться из условия минимальной достаточности. Однако наличие стандартных рядов корректирует принцип выбора необходимой емкости. В реальном устройстве используется ближайшая в ряду большая емкость, чем минимально достаточная для обеспечения требуемых качественных параметров драйвера. Например, если необходимая (минимальная) емкость с учетом допуска составляет 18 мкФ, то устанавливается ближайшая в ряду большая (конденсатор, рассчитанный на соответствующее рабочее напряжение) емкость - 22 мкФ.The normalization (coefficient k) takes into account the technological spread of controller characteristics and the difference in the capacitance values of standard series of capacitances and operating voltages of serially produced capacitors. In particular, for pulse electrolytic capacitors (which are widely used in serial devices in the considered field of technology), the standard series of capacitances can be as follows: 1.0; 2.2; 3.3; 4.7; 6.8 and 10… μF. The capacitance values of capacitors _C1 and _C2 should be selected based on the condition of minimum sufficiency. However, the presence of standard series adjusts the principle of selecting the required capacitance. In a real device, the next higher capacitance in the series is used, which is greater than the minimum sufficient to ensure the required quality parameters of the driver. For example, if the required (minimum) capacitance, taking into account the tolerance, is 18 μF, then the next higher capacitance in the series (a capacitor rated for the corresponding operating voltage) is installed - 22 μF.

Сетевой драйвер питания для светодиодного модуля в установившемся режиме работает следующим образом. Переменное напряжение сети подается на входные выводы драйвера и через защитный модуль 2 поступает на входы ACN, ACL цифроаналогового импульсного контроллера 1 постоянного тока. Напряжение сети преобразуется (выпрямляется) встроенным в контроллер 1 однофазным диодным выпрямителем в знакопостоянное напряжение, имеющее пульсацию фиксированной частоты, равную удвоенной частоте питающей сети. Напряжение фильтруется (сглаживается) конденсатором 3, шунтирующим выходные выводы выпрямителя (HV, GND). Выходной полевой транзистор контроллера 1 переключается (критически непрерывный режим работы) с частотой, определяемой величинами индуктивности дросселей 6, 7, заданным током и напряжением на конденсат торах 3, 8. При этом через выходные выводы (+ и -) драйвера (и через светодиодный модуль) протекает знакопостоянный ток с заданным величиной второго резистора 5 постоянным (средним) значением по цепи: HV - 6 - (8, 9, + -) - 7 - SW. Уменьшение величины сопротивления второго резистора 5 приводит к росту выходного тока драйвера, и наоборот (увеличение сопротивления приводит к снижению выходного тока). Резистор 4, подключаемый к выводу NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP) контроллера 1, задает величину температуры нагрева контроллера 1 или уровня выходного напряжения. Резистор 4 может отсутствовать в устройстве. При этом соответствующие величины параметров задаются внутренними задатчиками самого контроллера 1. Второй конденсатор 8 обеспечивает сглаживание напряжения на светодиодном модуле (нагрузке) и может ограничивать импульсы перенапряжений на выводах HV и SW контроллера 1. Третий резистор 9 предназначен для разряда емкости второго конденсатора 8 при отключении драйвера от сети. Третий резистор 9 также может отсутствовать в устройстве, если отсутствует доступ к элементом драйвера, находящимся под напряжением, или устройство является неремонтируемым и неразборным. В последнем случае и защитный модуль 2 является избыточным элементом драйвера и может быть исключен из его структуры. Разделение общей индуктивности выходной цепи драйвера на две части, включение дросселя 6 в цепь вывода HV контроллера 1, установка в устройство второго дросселя 7 позволяет существенно снизить суммарные электрические потери в устройстве (может быть уменьшена длина проводников, снижен нагрев элементов дросселей и требования к изоляции). Выполнение дросселей 6, 7 магнитосвязанными позволяет уменьшить число витков обмоток и дополнительно снизить электрические потери. Минимальное значение емкости C₂ второго конденсатора 8 определяется из выражения: С₂=π L I³/(U W), где π=3,14; L - сумма индуктивностей дросселей 6, 7; I - ток светодиодного модуля; U - напряжение на светодиодном модуле (выходное напряжение драйвера); W - полная мощность на входе драйвера. Индуктивность L, ток I и напряжение U на светодиодном модуле определяются из паспортных данных на контроллер и требований конструкции устройства. Например, для светодиодов с номинальным током 65 мА, при напряжении на одном светодиоде (для номинального тока) 3,1 В, напряжение на светодиодном модуле при последовательном соединении 42 светодиодов составит 130 В. Индуктивность дросселей 6, 7 и рабочий ток задают частоту работы контроллера, которая не должна превышать паспортное значение (около 100 кГц). Суммарная индуктивность дросселей 6, 7 драйвера выбрана равной 2,2 мГн. Минимальная расчетная емкость С₂ второго конденсатора 8 при W=16,5 ВА (коэффициент полезного действия драйвера 90%, коэффициент мощности 0,57) равна С₂=88,44 нФ. Выбираем значение большей емкости, соответствующее стандартному ряду и составляющее 0,1 мкФ. Определяем расчетную емкость C₁ конденсатора 3 из выражения: C₁ С₂ ^1/3=к С. Расчетная емкость C₁ равна C₁=4,78 мкФ. Нормировка (величина к) дает значение емкости C₁ от 3,346 до 10,038 мкФ. С учетом завышения расчетного значения емкости С₂второго конденсатора 8 и по критерию оптимизации выбираем емкость C₁ конденсатора 3 из стандартного ряда равной 4,7 мкФ. Аналогично для стандартных рядов емкостей определены значения параметров для пределов изменения коэффициента полезного действия от 90 до 94% и коэффициента мощности от 0,55 до 0,97. Данные представлены в таблице.The LED module's line-power driver operates in steady-state mode as follows. AC line voltage is applied to the driver's input terminals and, via protective module 2, is fed to the ACN and ACL inputs of digital-to-analog pulse controller 1. The line voltage is converted (rectified) by a single-phase diode rectifier integrated into controller 1 into a constant-sign voltage with a fixed-frequency pulsation equal to twice the power line frequency. The voltage is filtered (smoothed) by capacitor 3, which shunts the rectifier's output terminals (HV, GND). The output field-effect transistor of controller 1 switches (critically continuous operating mode) with a frequency determined by the inductance values of chokes 6, 7, the specified current and voltage on capacitors 3, 8. In this case, a constant-sign current with a constant (average) value specified by the second resistor 5 flows through the output terminals (+ and -) of the driver (and through the LED module) along the circuit: HV - 6 - (8, 9, + -) - 7 - SW. A decrease in the resistance of the second resistor 5 leads to an increase in the output current of the driver, and vice versa (an increase in resistance leads to a decrease in the output current). Resistor 4, connected to the NC(OTP.ROTP.OVP.ROVP) terminal of controller 1, sets the heating temperature of controller 1 or the output voltage level. Resistor 4 may be absent from the device. The corresponding parameter values are set by the internal settings of controller 1 itself. The second capacitor 8 smooths the voltage on the LED module (load) and can limit overvoltage pulses at the HV and SW terminals of controller 1. The third resistor 9 is designed to discharge the capacitance of the second capacitor 8 when the driver is disconnected from the network. The third resistor 9 may also be omitted from the device if there is no access to the driver element under voltage, or the device is non-repairable and non-disassemblable. In the latter case, the protective module 2 is also a redundant element of the driver and can be excluded from its structure. Dividing the total inductance of the driver output circuit into two parts, including the inductor 6 in the circuit of the HV terminal of controller 1, and installing a second inductor 7 in the device can significantly reduce the total electrical losses in the device (the length of the conductors can be reduced, the heating of the inductor elements and the insulation requirements can be reduced). The implementation of chokes 6, 7 as magnetically coupled allows to reduce the number of turns of the windings and further reduce electrical losses. The minimum value of the capacitance C ₂ of the second capacitor 8 is determined from the expression: C ₂ = π LI ³ /(UW), where π = 3.14; L is the sum of the inductances of chokes 6, 7; I is the LED module current; U is the voltage on the LED module (driver output voltage); W is the total power at the driver input. The inductance L, current I and voltage U on the LED module are determined from the controller specifications and the device design requirements. For example, for LEDs with a nominal current of 65 mA, at a voltage across one LED (for the nominal current) of 3.1 V, the voltage across the LED module with 42 LEDs connected in series will be 130 V. The inductance of chokes 6, 7 and the operating current determine the operating frequency of the controller, which should not exceed the rated value (approximately 100 kHz). The total inductance of chokes 6, 7 of the driver is selected equal to 2.2 mH. The minimum calculated capacitance _{C2 of} the second capacitor 8 at W=16.5 VA (driver efficiency 90%, power factor 0.57) is equal to _C2 = 88.44 nF. We select a value of a larger capacitance corresponding to the standard series and amounting to 0.1 μF. We determine the calculated capacitance _C1 of capacitor 3 from the expression: _C1 _C2 ^1/3 =k C. The calculated capacitance _C1 is equal to _C1 =4.78 μF. Normalization (the k value) yields a capacitance value _C1 from 3.346 to 10.038 μF. Taking into account the overestimation of the calculated value of capacitance _C2 of the second capacitor 8 and according to the optimization criterion, we select the capacitance _C1 of capacitor 3 from the standard series equal to 4.7 μF. Similarly, for standard series of capacitances, the parameter values for the limits of change in efficiency from 90 to 94% and power factor from 0.55 to 0.97 are determined. The data are presented in the table.

Коэффициент гармоник потребляемого от сети тока снижается от 135% до 12%, а кратность тока запуска уменьшается в 15 раз, что подтверждают и результаты экспериментального исследования. Повышение коэффициента мощности (таблица) до 0,97 приводит к значительному увеличению емкости С₂ второго конденсатора 8. Однако второй конденсатор 8 работает при напряжении существенно более низком, равном напряжению на светодиодном модуле (для конкретного технического решения 130 В). Приемлемые значения емкостей конденсаторов 3 и 8 при сохранении работоспособности и высоких технических характеристик драйвера, в том числе, низкого коэффициента пульсаций тока (и светового потока светодиодного модуля) в пределах 3%, будут для любого численного значения нормирующего коэффициента к от 0,7 до 2,1.The harmonic distortion factor of the current consumed from the grid decreases from 135% to 12%, and the starting current ratio decreases by a factor of 15, which is confirmed by the experimental study results. Increasing the power factor (table) to 0.97 leads to a significant increase in the capacitance _C2 of the second capacitor 8. However, the second capacitor 8 operates at a significantly lower voltage, equal to the voltage on the LED module (for this specific technical solution, 130 V). Acceptable capacitance values for capacitors 3 and 8, while maintaining the driver's operability and high technical characteristics, including a low current ripple factor (and LED module luminous flux) within 3%, will be for any numerical value of the normalizing coefficient k from 0.7 to 2.1.

По сравнению с прототипом существенно повышается коэффициент полезного действия устройств на основе высокоинтегрированных цифроаналоговых импульсных контроллеров постоянного тока, коэффициент мощности, улучшается коэффициент формы и снижается коэффициент гармоник потребляемого от питающей сети тока, уменьшается кратность пускового тока. По сравнению с известными техническими решениями и прототипом может быть выполнена оптимизация предельного коэффициента эффективности сетевого драйвера питания для светодиодного модуля. Для некоторых типоисполнений повышение их коэффициента полезного действия возможно на 3…5%, коэффициента мощности на 8…10%, снижение уровня гармоник потребляемого от сети тока - в 10 раз (до 12…14%) и кратности пускового тока от 2 до 15 раз (при коэффициенте пульсаций светового потока 1…5%) за счет изменения принципа оптимизации параметров и функционирования устройства, улучшения технических характеристик и возможных вариантов их конструктивного исполнения, коррекции схемы включения, улучшения параметров, разделения дросселей, выполнения их магнитосвязанными. Устройства с заявляемыми принципами реализации и оптимизации параметров элементов (и конструкции) имеют сравнительно низкий уровень радиопомех и излучений, и при этом обладают улучшенным коэффициентом формы потребляемого от сети тока и низким коэффициентом гармоник потребляемого тока (>14%), обеспечивают малые броски (кратность) пускового тока. Кратности токов запуска существенно снижаются (при одинаковых, сравнимых параметрах и условиях), а также могут быть уменьшены амплитуды входных рабочих токов. Снижается на 50…60% уровень эффективного потребляемого устройством от сети тока (при выполнении на заданную мощность) и коммутационные потери в силовых элементах, в частности, в диодах встроенного в контроллер силового моста. Емкости и максимальные значения напряжений на конденсаторах могут уменьшены, что дополнительно повышает надежность работы драйверов.Compared with the prototype, the efficiency of devices based on highly integrated digital-to-analog pulsed DC controllers is significantly increased, the power factor is improved, the form factor is improved, the harmonic distortion factor of the current consumed from the power supply network is reduced, and the inrush current ratio is reduced. In comparison with known technical solutions and the prototype, the marginal efficiency of the network power driver for the LED module can be optimized. For some standard designs, an increase in their efficiency is possible by 3 ... 5%, the power factor by 8 ... 10%, a decrease in the harmonic level of the current consumed from the network - by 10 times (up to 12 ... 14%) and a decrease in the inrush current ratio from 2 to 15 times (with a pulsation factor of the luminous flux of 1 ... 5%) due to a change in the principle of optimization of the parameters and operation of the device, improvement of technical characteristics and possible variants of their design, correction of the connection circuit, improvement of parameters, separation of chokes, making them magnetically coupled. Devices based on the stated implementation principles and optimization of component (and design) parameters exhibit comparatively low levels of radio interference and emissions, while also featuring an improved current shape factor and a low harmonic distortion factor (>14%), ensuring low inrush current surges (multiples). Inrush current multiplicity is significantly reduced (under identical, comparable parameters and conditions), and the amplitudes of input operating currents can also be reduced. The effective current consumed by the device from the network (when operating at a specified power level) is reduced by 50-60%, as are switching losses in power components, particularly in the diodes of the controller's integrated power bridge. Capacitances and maximum voltage values on capacitors can be reduced, further enhancing the reliability of the drivers.

Реализация возможности подключение дросселя к выводу HV(VIN) для некоторых типоисполнений позволяет улучшить технологичность конструкции и обеспечить более эффективное снижение коммутационных перенапряжений, реализацию защиты, а также улучшение электромагнитной совместимости драйвера с питающей сетью и нагрузкой. При этом использование только одного дросселя, подключенного к выводу HV(VIN) контроллера, также представляет собой вариант нового схемотехнического решения и использования изобретения. При этом может быть повышена надежность работы сетевых драйверов с цифроаналоговыми импульсными контроллерами постоянного тока рассмотренного типа.Connecting a choke to the HV(VIN) pin for some designs improves the design's manufacturability and ensures more effective reduction of switching overvoltages, protection, and improved electromagnetic compatibility between the driver, the power supply network, and the load. Using only a single choke connected to the controller's HV(VIN) pin also offers a new circuit design and application of the invention. This can improve the reliability of network drivers with digital-to-analog DC pulse controllers of this type.

По сравнению с прототипом (дополнительно) возможно снижение цены изделий на основе высокоинтегрированных цифроаналоговых импульсных контроллеров постоянного тока за счет снижения стоимости комплектующих изделий и материалов, повышения технологичности, снижения временных затрат при разработках новых устройств.Compared to the prototype (additionally), it is possible to reduce the price of products based on highly integrated digital-to-analog DC pulse controllers due to a reduction in the cost of components and materials, increased manufacturability, and a reduction in the time costs of developing new devices.

Claims

1. A network power driver for an LED module, comprising a highly integrated digital-to-analog constant-current pulse controller with terminals ACN (ACIN.ACIN1), ACL (ACIN.ACIN2), HV, GND, NC (OTP.ROTP.OVP.ROVP), CS and SW (DRAIN), the terminals ACN (ACIN.ACIN1), ACL (ACIN.ACIN2) are connected to the input terminals of the driver through a protective module, the HV terminal is connected to the GND terminal through a capacitor having a capacitance C ₁ , and the NC (OTP.ROTP.OVP.ROVP) and CS terminals are connected to the GND terminal, respectively, through a resistor and a second resistor, a series circuit of a choke, the output terminals of the driver and the second choke is connected between the HV and SW (DRAIN) terminals, the output terminals of the driver are shunted by a second capacitor having a capacitance C ₂ , and a third resistor, the capacitances of the capacitor and the second capacitor are related by the ratio C ₁ C ₂ ^1/3 =k C, where k is a dimensionless normalizing coefficient that takes numerical values from 0.7 to 2.1, and C is a dimensional constant with a numerical value of 2.22.

2. A network power driver for an LED module according to paragraph 1, characterized in that the choke and the second choke are magnetically coupled.