Các công nghệ sản xuất các driver LED

Thứ sáu - 28/05/2010 02:39
Công ty OLED chuyên:
- Tư vấn các giải pháp chiếu sáng
- Thiết kế, cung cấp đèn công nghiệp, đèn công cộng, sân thi đấu thể thao (nhà thi đấu, sân bóng đá...)
Led driver
Led driver

1. Đại cương và các yêu cầu của driver LED
2. AC-DC driver
3. Hoạt động của mạch theo nguyên lý đóng cắt
4. Mạch Buck
5. Mạch Boost
6.   Mạch Flyback
7.   Drivers công suất cao
8.   Độ tin cậy của driver LED
9.   Kỹ thuật sản xuất driver LED
10. Thiết kế driver LED drivers
1. Đại cương và các yêu cầu của driver LED
Bộ nguồn cấp điện cho đèn LED phải đảm bảo cung cấp dòng điện và điện áp ổn định phù hợp lới loại LED đang sử dụng các linh kiện chế tạo bộ nguồn phải có tuổi thọ sử dụng tương đương với tuổi thọ của LED. 
Với loại đèn công suất nhỏ bộ nguồn đơn giản chỉ là một nguồn áp kết nối với một điện trở hạn dòng cho LED nhưng đối với với LED công suất trung bình và lớn cần tạo một nguồn dòng cho LED.
Chip LED là một loại Diode phát sáng, nó hoạt động với dòng điện một chiều có cường độ trong một khoảng nhất định (thông thường khoảng 150 - 300mA). 
Trong khi đó, mạng điện dân dụng có điện áp là 220V xoay chiều, do đó để có bộ đèn LED có thể hoạt động được với điện áp này, cần có bộ phận để chuyển đổi nguồn từ 220V xoay chiều thành dòng điện một chiều có điện áp và dòng điện phù hợp để cho chíp LED hoạt động.
Mạch điều khiển LED gồm các khối chính: khối nguồn, khối chỉnh lưu, khối điều khiển, ngoài ra đối với một số bộ điều khiển chất lượng cao còn có bộ lọc EMI.
Yêu cầu đối với nguồn cho đèn LED là:
                – Chỉnh lưu từ điện xoay chiều (AC) sang một chiều (DC) với điện áp phù hợp
                – Ổn định dòng điện
 – Với những đèn chất lượng cao thì có thêm nhiệm vụ lọc hài (dùng bộ lọc EMI) và tùy theo công suất còn có tản nhiệt cho đèn.
Các bộ nguồn phổ biến hiện nay đang sử dụng trong các LED driver:
– Bộ nguồn tuyến tính
– Bộ nguồn AC direct
– Bộ nguồn giảm áp (buck converter)
– Bộ nguồn tăng áp (boost converter)
– Bộ nguồn Flyback
– Bộ nguồn cộng hưởng Bốn bộ nguồn phía dưới hoạt động theo nguyên lý đóng cắt (switching)

            Driver tuyến tính

• Driver này đơn giản nhưng chất lượng ánh sáng kém, chỉ tiêu kinh tế thấp

2. AC direct drive
Sơ đồ nguyên lý
 

Mạch AC direct driver có ưu điểm không cuộn dây, không tụ nên kích thước và giá thành nhỏ
Vài hình ảnh về kết cấu

Lắp ráp điều khiển phân tán LED AC trực tiếp
Một số nhận xét
• AC LED driver là loại cấu hình có nhiều ưu điểm về kích thước, giá thành và tuổi thọ (xét về khía cạnh không dùng tụ hóa, không dùng mạch từ) ... Nếu sử dụng IC này để chế tạo LED thì có nhiều lợi thế về giá thành và độ tin cậy!!!
• AC LED driver là loại điều khiển dòng điện kiểu tương tự nên có nhược điểm tỏa nhiệt nhiều hơn loại driver chuyển mạch (SMPS) nên cần thiết kế tỏa nhiệt tốt hơn.
• AC LED driver rất nhậy với tăng áp, do đó cần cảnh báo cho người sử dụng về việc tránh sử dụng quá áp này.
• Sử dụng varistor để bảo vệ xung áp là cần thiết nhưng Varistor cũng là “con dao hai lưỡi” nó sẽ là phần tử xấu nhất khi gặp lưới nhiều xung điện áp mà loại lưới này hiện nay rất phổ biến trên thế giới.
3. Driver hoạt động theo nguyên lý đóng cắt
 

4. Mạch Buck

• Ưu, nhược điểm Ưu điểm:
• Mạch đơn giản, rẻ tiền
 
Nhược điểm
• Không cách ly modul LED với nguồn nên không an toàn
 
Phạm vi ứng dụng
• Dùng cho các mạch công suất thấp đến 10W
5. Mạch Boost
Nguyên lý mạch boost

Mạch thực tế

Ưu, nhược điểm
Ưu điểm:
Có thể nâng áp không cần biến áp Mạch tương đối đơn giản
Phạm vi ứng dụng:
• Dùng điển hình trong các mạch PFC
• Dùng cho các nguồn acquy điện áp thấp
6. Mạch flyback
• Sơ đồ nguyên lý

Các loại IC điều khiển

Các chế độ làm việc của mạch flyback

Ví dụ các IC điều khiển mạch flyback

Lưu ý thiết kế mạch flyback

Nhằm tăng chỉ tiêu kinh tế bằng cách tăng hệ số công suất các mạch điều khiển thực hiện điều khiển theo nguyên tắc điều khiển dòng điện trung bình bám theo điện áp lưới hình sin như hình vẽ - điều khiển có PFC

Ưu, nhược điểm:
Ưu điểm:
• Mạch đơn giản, giá thành không cao
• Cách ly modul LED với nguồn nên an toàn Nhược điểm
• Không dùng với công suất cao vì biến chỉ hoạt động ở một nửa đường cong từ hóa
• So với mạch buck thì phức tạp hơn
Phạm vi ứng dụng:
• Đối với mạch flyback thường dùng cho các driver LED trong khoảng 10 – 30W 
• Đối với mạch quasi resonant dùng đến 70W
Mạch cộng hưởng – dùng cho công suất lớn
Giảm tổn hao bằng mạch cộng hưởng

Sự cần thiết mạch cộng hưởng
• Trong sơ đồ mạch nguồn cung cấp năng lượng chuyển mạch ở  chế độ vận hành thông thường, mỗi khi các bóng bán dẫn được dẫn hay khóa, sự chồng chéo của điện áp và dạng sóng dòng điện cho thấy sự tổn hao trong quá trình chuyển mạch. 
• Điều này được minh họa trong hình vẽ. Bởi vì có một ton và một toff trong từng thời kỳ làm tăng tổn hao chuyển mạch với tần số chuyển mạch cao. 
• Một phương pháp là phổ biến sử dụng kỹ thuật cộng hưởng để buộc các thiết bị chuyển mạch để ton và toff  tại dòng điện hoặc điện áp bằng không, do đó tổn hao chuyển mạch trở nên thấp.
Cơ sở của mạch cộng hưởng
• Tăng tần số hoạt động của bộ chuyển đổi công suất là mong muốn, vì nó cho phép các kích thước của cuộn dây và tụ điện được giảm, làm cho các mạch nhỏ gọn và rẻ hơn nhiều. Tuy nhiên, việc tăng tần số hoạt động cũng làm tăng tổn hao chuyển mạch và do đó làm giảm hiệu suất của hệ thống. 
• Một giải pháp cho vấn đề này là để thay thế chuyển đổi "chopper" cấu trúc chuẩn (Buck, Boost, vv) bằng một chuyển mạch "cộng hưởng", trong đó sử dụng mạch cộng hưởng điện dung và điện cảm để hình thành dạng sóng của một trong hai dòng hoặc điện áp trên các phần tử chuyển mạch, như vậy khi chuyển mạch diễn ra, không có dòng điện hoặc không điện áp trên nó, và vì thế không có tiêu hao năng.
7. Drivers công suất lớn:
Driver công suất – mạch cộng hưởng
• Mạch cộng hưởng được thiết kế cho làm việc với dòng điện hình sin hay gần sin, do đó trong các phần tử điện từ (cuộn dây và biến áp) có tổng thành phần hài thấp hơn so với hình vuông, tổn hao do dòng hài sinh ra thấp hơn, hiệu suất phần điện từ cao hơn.
• Tổn hao chuyển mạch thấp hơn.
• Tổn hao tần số cao của các phần tử điện cảm và điện dung nhỏ hơn.
• Dòng điện hình sin không có hài bậc cao, nhiễu tần số cao do dòng điện hình sin thấp hơn (nhiễu dẫn EMI thấp hơn)
• Tuy nhiên, khi làm việc ở tần số cao các thành phần ký sinh như điện cảm cuộn dây, điện dung cuộn dây và các đường đi dây mạch in có ảnh hưởng đáng kế. Những thành phần ký sinh này gia tăng ứng suất cho các bóng bán dẫn và làm tăng nhiễu dẫn và nhiễu vô tuyến.
Mạch quasi resonant Lựa chọn điểm chuyển mạch khi điện áp về 0
 

• Mạch quasi resonant

Mạch LLC (Sơ đồ mạch cộng hưởng LLC nửa cầu điển hình)

Đặc tính của mạch LLC












Trong tính toán mạch LLC, rất quan trọng tính chọn tối ưu các gí trị tỷ số điện cảm h, và hệ số phẩm chất Q
Hiệu suất của mạch cộng hưởng:
Dòng cộng hưởng hình sin và dòng từ hóa tam giác như hình bên

Dòng điện tải là hiệu hai đường cong ir – im
Tính dòng hiệu dụng sơ cấp



Dòng hiệu dụng sơ cấp











Dòng điện rms sơ cấp giảm khi tích (h.Q) tăng. Tuy nhiên ảnh hưởng của việc tăng (h.Q) chỉ giới hạn ở mức không quá (h.Q)<6
Dòng điện thứ cấp











Dòng điện hiệu dụng thứ cấp giảm khi h.Q tăng. Tuy nhiên ảnh hưởng của việc tăng h.Q bị giới hạn khi nó lớn hơn 1
Nhận xét về việc chọn h,Q
Cả hai dòng điện sơ và thứ cấp được xác định bởi dòng từ hóa im của cuộn dây. 
Tăng điện cảm của cuộn dây Lm, tăng (h.Q) làm giảm dòng hiệu dụng và giảm tổn hao dẫn nhưng lại cần chọn lõi lớn hơn. 
Ngược lại giảm điện cảm từ hóa Lm của cuộn dây, giảm (h.Q), tăng tổn hao dẫn nhưng lại chọn lõi nhỏ hơn. 
Ví thế cần có sự cân nhắc tích (h.Q) giữa kích thước lõi và tổn hao dẫn. Ngoài ra, tích (h.Q) sẽ ảnh hưởng đỉnh hệ số truyền đạt
• Ngoài tổn hao dẫn, tổn hao chuyển mạch (bao gồm tổn hao chuyển mạch dẫn và khóa) có vai trò đáng kế vào hiệu suất của mạch. 
• Mosfet có tổn hao chuyển mạch bằng 0 do chuyển mạch ZVS. Tuy nhiên, mosfet khóa ở đỉnh dòng từ hóa sinh ra tổn hao đáng kể. 
• Lựa chọn điện cảm từ hóa phù hợp có thể giảm cả hai: thời gian dẫn ZVS và tổn hao khóa.
Ví dụ mạch cộng hưởng:

                       Mạch công hưởng của hãng Faichild
 

                     Mạch cộng hưởng của hãng Texas Instrument
 

Mạch công hưởng của hãng Infeneon
 

Mạch cộng hưởng của hãng STMicroelectronic

8. Độ tin cậy của driver:
• Độ tin cậy là khả năng của một sản phẩm thực hiện đúng chức năng quy định trong một thời hạn quy định ở các điều kiện làm việc xác định của vòng đời sản phẩm. Một sản phẩm với sai số cho phép, phải thực hiện chức năng một cách tin cậy với các giới hạn tính năng quy định. Một sản phẩm phải có tuổi thọ kỳ vọng.
• Cần thiết phải có hiểu biết về độ tin cậy, vì khi sản phẩm bị hỏng, phát sinh thêm các chi phí đối với nhà sản xuất do không hoàn thành chức năng của nó, chi phí sửa chữa và thay thế, chi phí gián tiếp như tăng cường bảo hành, ... 
• Tính tóa độ tin cậy là tính tóa mức hư hỏng (failure rate)
 












• Thường mức hư hỏng thể hiện thông qua MTBF



• Lý do của việc thường xuyên sử dụng MTBF hơn là mức hư hỏng  là do MTBF  sử dụng số lớn (chẳng hạn MTBF = 2000 giờ) trực quan hơn và dễ nhớ hơn là con số rất nhỏ (như  = 0,0005 phần tử/mỗi giờ).
• không có liên quan trực tiếp hoặc tương quan giữa tuổi thọ và mức hư hỏng [R.1, R.6]. Có thể thiết kế một sản phẩm  độ tin cậy rất cao với một tuổi thọ ngắn ngủi. Một ví dụ điển hình là một tên lửa: nó có thể rất, rất tin cậy, nhưng tuổi thọ của nó chỉ là 0,06 giờ (4 phút)!
• Lý do của việc thường xuyên sử dụng MTBF hơn là mức hư hỏng  là do MTBF  sử dụng số lớn (chẳng hạn MTBF = 2000 giờ) trực quan hơn và dễ nhớ hơn là con số rất nhỏ (như  = 0,0005 phần tử/mỗi giờ).
• Độ tin cậy là xác suất của một thiết bị hoạt động theo chức năng của nó trong khoảng thời gian xác định và theo một điều kiện hoạt động cụ thể. 
• Nếu hư hỏng xảy ra một cách ngẫu nhiên, thì độ tin cậy R(t) có thể được mô tả bởi một hàm mũ như vẽ ở hình dưới.








Xác suất của hư hỏng (Probability of failure)
• Xác suất là con số chỉ khả năng (probability) xảy ra một hư hỏng trong thiết bị. 
• Một thiết bị có xác suất hư hỏng bằng  0 nghĩa là hư hỏng đó không thể xảy ra.
• Một thiết bị có xác suất hư hỏng bằng 1 nghĩa là hư hỏng đó chắc chắn xảy ra.
• Đương nhiên, hư hỏng có xác suất càng gần 1 thì hư hỏng có khả năng xảy ra càng nhiều. Và ngược lại, hư hỏng có xác suất càng gần 0 thì hư hỏng đó càng ít có khả năng xảy ra.


9. Kỹ thuật sản xuất driver:
Thiết kế nguyên lý Hiện nay các driver được chế tạo đều sử dụng các IC chuyên dụng của nhiều hãng trên thế giới như là : Texas Instrument, Fairchild, Phillips, Stmicroelectronic, Seoul Semi ... Các nhà cung cấp IC thường cung cấp luôn file thiết kế theo IC của họ.
 Do đó việc đầu tiên của người thiết kế là lựa chọn một trong các sơ đồ nêu trên, sau đó chọ nhà cung cấp IC và các linh kiện, tiến hành tính toán các phần tử theo hường dẫn của các nhà cung cấp.
Kỹ thuật gia công, lắp đặt

Dán các linh kiện kích thước nhỏ bằng máy dán và hàn dán linh kiện



 

Tác giả bài viết: OLED VN

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết

  Ý kiến bạn đọc

Mã bảo mật   
Đèn đường OLED
Thăm dò ý kiến

Lợi ích của phần mềm nguồn mở là gì?

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây