حدود ۲۰% از منابع انرژی دنیا سهم تولید برق میشود و از این مقدار حدود ۲۵% از مصارف مرتبط با مصارف روشنایی است. امروزه به لطف نوآوری در فناوری LEDها، هزینه LED ها کاهش چشمگیری داشته است. LEDها با راندمان درخشان بیش از ۲۲۰ لومن بر وات، به سرعت منابع سنتی روشنایی را جایگزین می کنند تا در کاربردهای روشنایی اعم روشنایی خانگی، شهری، صنعتی و … همه گیر شوند. تخمین زده میشود با استفاده از لامپهای LED تا سال ۲۰۳۰ حدود ۴۰% مصرف انرژی در حوزه روشنایی کاهش یابد.
با توجه به تقاضای موجود، بسیاری از محصولات LED با ولتاژ و توان خروجی متنوع در بازار موجود است. نکته منفی، عدم وجود استانداردهای بین المللی برای هدایت توسعه این فناوری است. از سوی دیگر، لامپهای فلوئورسنت و رشته ای دارای ولتاژ و توان گسسته استاندارد هستند. در نتیجه این یک چالش جدی برای مهندسان الکترونیک قدرتی است که درایورهای LED را طراحی می کنند.
در ادامه این بخش، طبقه بندی توپولوژی های درایورهای LED با توجه به روندهای فعلی و همچنین آینده ارائه شده است. فلوچارت نشان داده شده در شکل ۱ درایورهای LED پسیو و سوئیچینگ را همراه با مسائل مربوط به طراحی برجسته می کند. هدف نهایی این بررسی انتخاب توپولوژی مناسب بر اساس ویژگی هایی مانند تنظیم جریان دقیق، کاهش نور (dimming)، بازدهی بالا و قابلیت اطمینان بالا است. درایورهای LED فوق الذکر را می توان به طور سیستماتیک در دو نوع پسیو و اکتیو طبقه بندی کرد.
درایورهای نوع پسیو بر اساس مقاومت، سلف و خازن پیکربندی می شوند. ساده ترین راه برای محدود کردن جریان LED از طریق مقاومت سری است که در شکل زیر نشان داده شده است.
با این حال، این ساختار بازده پایینی دارد و نسبت به تغییرات ولتاژ ورودی و دارای رگولاسیون ضعیف جریان برای یک رشته LED یا چند رشته LED به طور موازی است. در رویکرد مبتنی بر خازن کوپل شده همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تعادل جریان به دلیل راکتانس خازنی زیاد در مقایسه با ظرفیت خازنی بار LED بدست می آید.
یک روش دیگر بر اساس سلف های کوپل شده است که در شکل زیر نشان داده شده است.
این ساختار ساده است و کاربردهای آن با افزایش حجم سیستم با افزایش تعداد رشته های LED موازی محدود می شود. توازن جریان مبتنی بر سلف متغیر در شکل زیر نشان داده شده است.
این روش دقیق تر است اما چالش در ادغام (یا مجتمع کردن) سلف های متغیر در فناوری LED وجود دارد. علاوه بر این ، این مشکل تنظیم جریان را می توان با یک تنظیم کننده خطی که مانند یک منبع جریان کنترل شده عمل می کند برطرف کرد. از سوی دیگر ، مبدل های سوئیچینگ دارای چندین مزیت مانند تنظیم جریان دقیق LED ، تصحیح ضریب توان، کنترل شدت نور، عایق گالوانیکی و عملکرد مقاوم در برابر شرایط خطا هستند.
این مبدل های سوئیچینگ به صورت تک مرحله ای، دو مرحله ای و یکپارچه طبقه بندی می شوند که در شکل زیر نشان داده شده است.
توپولوژی اکتیو تک مرحله ای AC -DC شامل یکسو کننده دیودی، خازن ذخیره سازی و مبدل غیر ایزوله DC‐DC است .در این ساختار از خازن غیر الکترولیتی با طول عمر بالا استفاده می شود و به حداقل رساندن سوسو زدن لامپ ها کمک می کند. اما نقطه ضعف این ساختار اصلاح ضریب توان ضعیف است (PFC) است. در ساختار اصلاح شده، مبدل DC-DC از یک خازن ذخیره سازی الکترولیتی بزرگ در خروجی تشکیل شده است. این راه حل PFC خوب و همچنین رگولاسیون جریان را به بهای کاهش قابلیت اطمینان بدست می آورد. اگر از خازن غیر الکترولیتی استفاده شود، ریپل فرکانس پایین ایجاد می شود که منجر به سوسو زدن لامپ ها می شود. بنابراین، برای بهبود قابلیت اطمینان و PFC، یک سیستم دو مرحله ای پیشنهاد شده است. در مرحله اول PFC مطابق با مقررات ENERGYSTAR یا IEC61000‐۳‐۲ کلاس C موردتوجه است و در مرحله دوم رگولاسیون جریان مورد توجه قرار می گیرد. در خروجی مرحله اول، یک خازن غیر الکترولیتی به جای خازن الکترولیتی استفاده میشود. علاوه بر این، مرحله دوم ریپل فرکانس پایین ایجاد شده توسط خازن غیر الکترولیتی را محدود میکند. معایب این سیستم در افزایش تعداد اجزای آن، هزینه بالا و کاهش بازدهی نهفته است. علاوه بر این، یک حلقه جریان همیشه در مرحله دوم برای کنترل جریان ثابت ضروری است.
راه حل خوب دیگر پیاده سازی مبدل های یکپارچه است که مبتنی بر ادغام مرحله PFC در مبدل DC -DC است. این عمل منجر به کاهش هزینه، اندازه ، بازدهی بالا و دینامیک سریع می شود. علاوه بر این، اگر یک درایور دو مرحله ای دارای چندین رشته LED به صورت موازی باشد؛ دو راه حل برای دستیابی به بالانس جریان ارائه شده است. یک راه حل این است که یک اکولایزر به صورت سری با هر رشته LED با هزینه ی کاهش بازدهی قرار دهید. راه حل دیگر مبتنی بر استفاده از چندین مرحله دوم به تعداد رشته های LED موازی است. این کار باعث افزایش اندازه و هزینه سیستم می شود. مسئله مهم دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد انرژی اضافی است که بار خروجی بر خازن ذخیره سازی مرحله PFC تحمیل می کند. این انرژی اضافی به دلیل عدم تطابق توان ورودی لحظه ای و تقاضای لحظه ای توان بار است. بنابراین، یک راه حل جایگزین بین ساختار تک مرحله و دو مرحله پیشنهاد می شود. این شامل شامل مرحله PFC، بار LED و یک مبدل کمکی دو طرفه به همراه یک خازن ذخیره در خروجی آن است. این آرایش به تعادل انرژی می رسد اما الگوریتم کنترل پیچیده می شود. با این حال ، هنگامی که چندین رشته LED به موازات یکدیگر هستند، یک ایزولاسیون گالوانیکی نیز لازم است. بنابراین ، یک راه حل سه مرحله ای معرفی می شود که در آن مرحله اول به PFC می رسد، مرحله دوم باعث ایزولاسیون گالوانیک می شود و مرحله سوم تنظیم جریان را امکان پذیر می کند. به یک مبدل سوئیچینگ ایزوله که به عنوان یک اکولایزر برای دستیابی به رگولاسیون دقیق جریان عمل می کند.
اساساً مبدلهای DC -DC به دو نوع ایزوله و غیر ایزوله طبقه بندی می شوند. توپولوژی های غیر ایزوله مختلف در شکل ۴ نشان داده شده است.
ویژگی های مهم آنها در جدول زیر به همراه توپولوژی های ایزوله آورده شده است.
مبدلهای DC -DC را می توان طوری طراحی کرد که در حالت هدایت پیوسته (CCM) ، حالت هدایت ناپیوسته (DCM) و حالت هدایت بحرانی (CRM) عمل کنند. علاوه بر این، سیستم های مبدل از نوع مینیمم فاز (MP) یا غیر مینیم فاز (NMP) هستند. سیستم NMP دارای تعداد صفرهای نیم صفحه راست (RHP) در توابع انتقال حلقه بسته و حلقه باز است. در CC ، مبدل های باک، باک-بوست و مبدلهای درجه دوم دارای صفرهای RHP در تابع انتقال (transfer functions) کنترل خود هستند. عملکرد DCM صفرهای RHP را به فرکانس های بالاتر هدایت می کند و طراحی کنترل کننده را ساده می کند. با این حال، این ساختار دارای معایبی مانند جریانهای پیک بالا و ریپل زیاد ، رینگینگ زیاد، راندمان پایین و همچنین اشباع ادوات مغناطیسی هستند.
منبع:An overview of energy efficient solid state LED driver topologies
نویسنده: کوروش خلج منفرد
