ПРОГРАММИРУЕМЫЙ НИЗКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ СВЕТОДИОДОВ

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может использоваться в качестве источника питания в устройствах светодиодного освещения, в частности в ручных фонарях.
Известен патент США (US 8203281, опубликован 19.06.2012), в котором описан пример использования микроконтроллерного управления с помощью широтно-импульсной модуляции dc-dc преобразователем в цепи питания светодиода с целью компенсации изменения напряжения на химическом элементе питания, например, LiCo типа или же ионисторе в результате его разряда.
Недостатком изобретения является завышение требований к разрядности и быстродействию микроконтроллера, несоблюдение которых приведет к появлению бросков и провалов тока светодиода, обусловленных нелинейной зависимостью тока светодиода от напряжения на его переходе.
Технический результат, на получение которого направлена полезная модель, заключается в расширении ассортимента источников питания светодиодов (в дальнейшем СИД), которые обеспечивают подавление бросков и провалов тока светодиода, обусловленных нелинейной зависимостью тока светодиода от напряжения на его переходе в осветителе при одновременном снижении требований к компонентам устройства.
Технический результат достигается в устройстве, которое содержит в своем составе: источник питания с выключателем, систему защиты от подключения питания неверной полярности, датчик напряжения питания, систему первичного электропитания, коммутатор внутреннего питания, силовой контур преобразования, систему выравнивания малых токов светодиода, микроконтроллер, систему управления микроконтроллером, систему термозащиты, устройство задания малых токов светодиода, датчик и фильтр тока светодиода, устройство ввода команд.
При этом у источника питания с выключателем (11) выход положительной полярности подключен к входу датчика напряжения (2), к входу системы первичного электропитания (3), к входу системы выравнивания малых токов (6), к входу силового контура преобразования (5), к входу системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7), а выход отрицательной полярности - к одному из защитных входов системы защиты от неверной полярности (1) и к устройству ввода команд (13).
У системы защиты от неверной полярности (1) силовой вход подключен к выходу отрицательной полярности источника питания с выключателем (11), управляющий вход - к входу питания управляющего микроконтроллера (8), к входу питания системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7), к выходу коммутатора внутреннего питания (4), сигнальный вход - к выходу интерфейса ввода команд (13).
У датчика напряжения (2) вход подключен к выходу положительной полярности источника питания (11), общий уровень - к силовому выходу системы защиты от неверной полярности (1), выход подключен к входу управляющего микроконтроллера (8).
У системы первичного электропитания (3) вход подключен к выходу положительной полярности источника питания (11), общий уровень - к силовому выходу системы защиты от неверной полярности (1), выход - к коммутатору внутреннего питания (4).
У коммутатора внутреннего питания (4), один из входов подключен к выходу системы первичного электропитания (3), другой - к выходу силового контура преобразования (5),к выходу системы выравнивания малых токов (6), к выходу устройства задания малых токов СИД (9), к аноду СИД (12), выход подключен к входу управления системой защиты от неверной полярности (1), к входу питания управляющего микроконтроллера (8), к входу питания системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7).
У силового контура преобразования (5) силовой вход подключен к выходу положительной полярности источника питания (11), к входу системы первичного электропитания (3), к входу системы выравнивания малых токов (6), к входу датчика напряжения (2), к выходу положительной полярности источника питания (И), общий уровень подключен к силовому выходу системы защиты от неверной полярности (1), вход управления подключен к выходу системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7), выход подключен к выходу системы выравнивания малых токов (6), к входу коммутатора внутреннего питания (4), к аноду СИД (12), к выходу устройства задания малых токов СИД (9).
У системы выравнивания малых токов (6) вход подключен к выходу положительной полярности источника питания (11), ко входу системы первичного электропитания (3), ко входу силового контура преобразования (5), ко входу датчика напряжения (2), к выходу положительной полярности источника питания (11), а выход - к выходу силового контура преобразования (5), ко входу коммутатора внутреннего питания (4), к аноду СИД (12), к выходу устройства задания малых токов СИД (9). У системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7) первый вход подключен к выходу положительной полярности источника питания (11), вход питания - к выходу коммутатора внутреннего питания (4), ко входу управления системой защиты от неверной полярности (1), ко входу питания управляющего микроконтроллера (8), а выход подключен ко входу управления силового контура преобразования (5), общий уровень - к силовому выходу системы защиты от неверной полярности (1), второй вход - к выходу управления управляющего микроконтроллера (8).
У подсистемы термозащиты входы подключены к выходу датчика напряжения (2), к сигнальному выходу системы защиты от неверной полярности (1), к интерфейсу ввода команд (13), к датчику и фильтру тока СИД (10), вход питания - к выходу коммутатора внутреннего питания (4), ко входу управления системой защиты от неверной полярности (1), ко входу питания системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7), один выход - ко входу управления системы кондиционирования сигналов управления силовым контуром преобразования (7), другой выход - ко входу устройства задания малых токов СИД (9), общий уровень - к силовому выходу системы защиты от неверной полярности (1).
У устройства задания малых токов СИД (9), вход подключен к выходу управляющего микроконтроллера (8), выход - к выходу системы выравнивания малых токов (6), ко входу коммутатора внутреннего питания (4), к аноду СИД (12), к выходу силового контура преобразования (5), у датчика и фильтра тока СИД (10), вход подключен к катоду СИД (12), выход - ко входу управляющего микроконтроллера (8), общий уровень - к силовому выходу системы защиты от неверной полярности (1), у устройства ввода команд (13), внешний вход подключен к отрицательному выходу источника питания с выключателем (11) и силовому защитному входу системы защиты от неверной полярности (1), один из выходов подключен к сигнальному защитному входу системы защиты от неверной полярности (1), другой выход подключен ко входу управляющего микроконтроллера (8).
Упомянутый светоизлучающий диод (12) не является частью устройства и может быть заменен сборкой светоизлучающих диодов, равно как и соответствующим полупроводниковым лазером или иной нагрузкой.
На фиг. 1. показана блок-схема источника питания СИД, где 1 - система защиты от подключения питания неверной полярности, 2 - датчик напряжения питания, 3 - система первичного электропитания, 4 - коммутатор внутреннего питания, 5 - силовой контур преобразования, 6 - система выравнивания малых токов СИД, 7 - система управления, 8 - микроконтроллер с системой термозащиты, 9 - устройство задания малых токов СИД, 10 - датчик и фильтр тока СИД, 11 - источник питания и выключатель, 12 - СИД, 13 - интерфейс ввода команд.
На фиг. 2 показан пример схемотехнической реализации устройства.
Устройство, в котором может быть реализована полезная модель, состоит из следующих элементов (фиг. 2), работающих описанным ниже образом:
1 - системы защиты от подключения питания неверной полярности, состоящей из полевого транзистора (в дальнейшем - ПТ) Q1 и диода (в дальнейшем - ДШ) D8. При подключении катода аккумуляторной батареи ВТ1 к стоку ПТ Q1, как это показано на фиг. 1, исток Q1 за счет латерального диода Q1 оказывается смещен относительно стока на малый потенциал, что приводит к смещению затвора на потенциал, заведомо больший потенциала полного открывания Q1, что приводит, в свою очередь, к росту разности напряжений между затвором и истоком Q1, так как канал Q1 оказывается полностью открыт, и напряжение на канале оказывается близким к нулю даже при токах канала 2-4А. ДШ D8 защищает схему от подключения питания неверной полярности в случае, когда при подключении питания неверной полярности замкнут ключ «Подача команд», предотвращая появление отпирающего потенциала на затворе Q1 через паразитные диоды микроконтроллера IC1 и стабилизатора напряжения U1.
2 - датчика напряжения питания, состоящего из делителя на резисторах R2 и R3. Напряжение с элемента питания делится на упомянутых резисторах, уменьшаясь до уровня пригодного к обработке АЦП, микроконтроллера.
3 - Системы питания микроконтроллера, состоящей из линейного стабилизатора U1, диодного коммутатора 4, собранного на диодах и набора фильтров питания C3, C4, C6, R5. При подаче питания, когда процесс преобразования не запущен, микроконтроллер получает питание от линейного стабилизатора через D3. После запуска преобразования на катоде D5 появляется напряжение, несколько большее напряжения на катоде D3, что приводит к отсечке тока линейного стабилизатора, который начинает работать на холостом ходу. Таким образом, во время активной работы, микроконтроллер потребляет энергию от импульсного преобразователя, а при снижении входного питания до напряжений, меньших выходного напряжения линейного стабилизатора, например, в случае эксплуатации при низких температурах среды в зимний период, напряжение на литиевом аккумуляторе может падать под током до 2 В и ниже. Однако, преобразователь поддерживает выходное напряжение постоянным, повышая его при необходимости; так что, на входах питания микроконтроллера напряжение остается достаточно высоким для его работы.
5 - Силового контура (далее - СК) повышающе-понижающего типа, состоящего из ПТ Q2, Q3, Q5 диодов D4, D6, дросселя L1, входного конденсатора C1 и выходного конденсатора C7. СК служит для преобразования системы входного напряжения и тока от элементов питания в систему выходных напряжений и тока, пригодных для питания силового СИД. СК разделяется на понижающую часть, в состав которой входят Q2, D4, L1 и повышающую часть, в состав которой входят L1, D6, Q3, Q5. Нагрузкой СК служит СИД LED1, не входящий в состав устройства. Стабилизация основана на широтно-импульсной модуляции (в дальнейшем - ШИМ) при постоянной частоте в 256 кГц. Для каждого такта этой частоты микроконтроллером задается время открытого состояния ключей СК, требуемое для достижения стабильного тока СИД. Если напряжение питания выше того напряжения на СИД, которое необходимо для достижения целевого тока СИД, то ПТ Q3 инактивируется, а преобразование осуществляется ПТ Q2. Логический ноль на затворе Q2 переводит его в открытое состояние, логическая единица - в закрытое. Если при максимально открытом состоянии Q2 ток СИД остается меньше целевого, то коэффициент скважности (далее - D) фиксируется в максимально допустимом значении, а затем включается повышающая система, по определенному алгоритму, определяемому ОС, наращивающая D на затворе Q3 до достижения целевого тока СИД. В силу дискретной природы ширины D на управляющих СК выходах микроконтроллера, с одной стороны, и резкой зависимостью тока СИД от напряжения на СИД - с другой, необходима система коррекции выходной характеристики, функция которой выполняется ключом синхронного выпрямления Q5 и диодом синхронного выпрямителя D6. Эта система коррекции предотвращает возникновение вспышек света при бросках тока СИД при дискретной смене значений D, возникающих при работе и в повышающем, и в понижающем режимах, которые могут составлять единицы или десятки миллиампер. Так как разрядность всех ШИМ-каналов микроконтроллера одинакова, то для каждого одного из 255 шагов D любого силового ПТ становится возможным использовать 255 шагов коррекции с вычетом из этого числа шагов, обусловленных схемотехнической необходимостью. Условием достаточности коррекции является превышение током коррекции тока шагового броска. Следовательно, полный диапазон тока коррекции должен превосходить наибольший шаговый бросок, но шаговые броски тока коррекции не должны визуализироваться пользователем. Поэтому, весь диапазон тока коррекции, соответствующий 255-и шагам, должен быть невелик. Задачу ограничения диапазона тока коррекции выполняет D6. Когда ПТ синхронного выпрямления Q5 закрыт, ток СИД протекает через ДШ D6, когда Q5 открыт, то ток СИД протекает через его переход. Падение напряжения на канале Q5 существенно ниже падения напряжения на переходе D6. Таким образом, регулируя D Q5 за период частоты 256 кГц, можно регулировать и ток СИД за период. Практически, коррекция происходит следующим образом: например, если напряжение питания устройства упало и микроконтроллер обнаружил необходимость увеличить время открытого состояния понижающего ПТ Q2, так как весь диапазон коррекции ПТ Q5 уже заполнен и Q5 открыт все время периода частоты 256 кГц. микроконтроллер записывает в свои ШИМ-регистры (процесс записи называется кешированием) новые значения: D Q2 увеличивается на 1 шаг, а D Q5 уменьшается на некоторое количество шагов, которое определяется тем:
- находился ли ток СИД до того в установившемся состоянии или уже происходила его коррекция, а если происходила коррекция, то с какой скоростью,
- является ли целью коррекции снижение тока или его увеличение,
- каково численное значение тока СИД, которое требуется достичь и каково оно в данный момент,
- происходили ли срабатывания программ защиты от автоколебаний параметров стабилизации и отключены ли в данный момент ограничения, налагаемые их срабатыванием,
- происходила ли смена системы преобразования с понижающей на повышающую или наоборот,
- каковы численные значения регистров управления полевыми транзисторами, то есть, насколько они близки к предельным значениям, которые определяют аппаратные схемотехнические требования и таблица кеширования - таблица значений количества шагов для данного тока СИД и данного напряжения питания. После записи новых значений разрешается их применение и микроконтроллером оценивается новый ток СИД. В зависимости от разницы между полученным током и требуемым током, либо осуществляется коррекция D Q5, либо значения оставляются неизменными, если известно, что токовая ошибка меньше значения одного шага коррекции. Такие токовые ошибки не приводят к появлению паразитных импульсов тока, поскольку обуславливаемое ими изменение яркости света не визуализируется из-за незначительности.
6 - Системы выравнивания малых токов, состоящей из R7, C10. Данная система предназначена для устранения влияния паразитных составляющих СК, могущих нарушать управление СИД при токах ниже 50 мА.
7 - Системы управления СК, состоящей из биполярных сборок Q8/Q9, Q10/Q11, системы согласования уровней C5, D1, R4 и системы гашения предвспышки, состоящей из ПТ Q8 и компонентов R8, R10, C8. Биполярные сборки, включенные эмиттерными повторителями, являются усилителями тока выводов микроконтроллера и позволяют увеличить скорость переключения Q2 и Q3, что снижает потери переключения в них, уменьшает разогрев и увеличивает время работы от одного комплекта питания за счет экономии энергии. Система согласования уровней и транслятор уровня сигнала управления предназначены для сохранения управляемости Q2, когда напряжение на его истоке больше напряжения питания микроконтроллера на величину порога открывания Q2. Действительно, если питание микроконтроллера 3B, а на входе устройства присутствует например 7B, то логическая единица, запирающая Q2 P-типа имеет уровень 3B, что образует разность в 4B с питанием на истоке ПТ, тогда как пороговое напряжение ПТ может составлять 1B, то есть ПТ неуправляемо откроется в этом случае, что приведет к катастрофическому отказу всей схемы. Чтобы избежать такой ситуации, применен конденсатор гальванической развязки C5, обеспечивающий прохождение на затвор Q2 только переменной составляющей, отсекая постоянную. Система гашения предвспышки запирает Q2 на небольшое время сразу после подачи питания на драйвер, как это описано далее. Когда на устройство подается питание, C5 разряжен. При подаче питания он через паразитные цепи сборки Q10/Q11, подает логический ноль на затвор Q2 на время своего заряда через К.4 до потенциала запирания затвора Q2. Во время заряда C5, когда напряжение на нем мало и растет, Q2 неуправляемо открыт, что приводит к визуально заметной вспышке СИД, т.н. «предвспышке». Система гашения предвспышки устраняет этот эффект. ПТ Q8 также открывается во время заряда C5 - через C8. Таким образом, открытый канал Q8 соединяет затвор Q2 с его истоком, что полностью закрывает Q2 на время, определяемое номиналами C8, R8, R10.
8 - микроконтроллера, работа которого определяется его предварительным программированием, выполняющего функции управления преобразованием и взаимодействия с пользователем. Микроконтроллер считывает значения делителя напряжения питания R2/R3, времязадающей ячейки, дифференциального канала обратной связи по току СИД, состояния входа подачи команд и формирует сигналы управления понижающим, повышающим и синхронным (корректирующим) ПТ, а также сигналы задания микрорежима. Данные с делителя питания используются для программной системы защиты питания от переразряда, устройства в целом - от перенапряжения, посредством выключения СК и, тем самым, сохранения напряжений на выводах ПТ в зонах безопасных значений и для кеширования значений D при формировании сигналов управления СК. Пользовательский командный интерфейс включает в себя 3 типа команд: кратковременная подача логического нуля на вход подачи команд, переключение входа подачи команд в статичное положение, кратковременное выключение устройства (перевключение). Служебная индикация осуществляется через канал СИД: предупреждения и подтверждения выдаются микроконтроллером в виде миганий или статичного изменения яркости свечения СИД.
9 - Системы управления микрорежимом СИД, состоящей из D7, R13, К14. Данная система выполняет 2 функции: обеспечивает пользователя светом в случае выхода из строя СК или при необходимости использования скрытого, например, при спецоперациях, либо очень экономичного света, например, в ситуации выживания. Возможен выбор одного из 3-х уровней света: когда активен только канал D7/R13, когда активен только канал R14, когда активны оба канала. Питание на СИД в этом случае подается микроконтроллером и стабилизируется линейным стабилизатором U1. Диапазон достижимых токов - 300 мкА-2.2 мА. Возможно получать и меньшие и большие, вплоть до 25 мА, токи посредством изменения номиналов задающих ток сопротивлений в каналах. Другим способом изменения яркости в микрорежиме является широтно-импульсной модуляция тока СИД микроконтроллером посредством изменения времени логической единицы на выходе, управляющем микрорежимом в данный момент. Используемые в устройстве значения сопротивлений позволяют получить более 3-х месяцев света, обеспечивающего ориентацию в темном помещении, с разрешением не менее 20 см/10 м (данные получены опытным путем) от единственного аккумулятора с емкостью 3.1 Ач. Микрорежим выбирается либо пользователем, по интерфейсной команде, либо автоматически, в случае, когда температура устройства превышает +85°C или когда отмечена существенная ошибка установки тока СИД, что свидетельствует о дисфункции СК.
10 - Фильтра питания обратной связи по току, состоящего из R11, R12, C9. Фильтр необходим для устранения влияния шумов переключения на данные, получаемые с резистора чтения тока СИД R6. Кроме того, он позволяет использовать меньшие значения емкости C7, что снижает ее стоимость.
11 - источника питания и выключатель.
12 - светодиода.
13 - устройства ввода команд, которое содержит выключатель питания, вход подачи команд, а также конденсатор C2 и резистор R1, образующие времязадаюшую ячейку. Данный узел был разработан с учетом того фактора, что в ручном фонаре нет возможности для размещения множества органов управления, а в интерьерном или ином встроенном источнике света их нет вообще и подача управляющей команды может осуществляться только по каналу питания.
Известны системы, определяющие перевыключения (выключения питание на заранее определенное время) как команды, например, в устройствах для фонарей LD20, PD30, L2D пр-ва Fenix (http://www.fenixlight.cn/). Для определения пропадания питания в этих устройствах используется танталовый конденсатор большой емкости, ~300 uF, способный питать микроконтроллер во время выключенного состояния до 300 мсек, и ИМС монитора питания, отправляющая на вход чтения состояния питания микроконтроллера логический сигнал при прерывании питания.
Времязадающая ячейка отличается от рассмотренной конструкции отсутствием дорогостоящего и габаритного танталового конденсатора и ИМС монитора питания. Во времязадающей ячейке, при установившемся включенном состоянии, вывод микроконтроллера, подключенный к этой ячейке, поддерживает напряжение, равное напряжению питания. Вывод, в этом случае, выполняет функцию логического выхода. Когда же микроконтроллер обнаруживает, что питание на него только что подано, то есть, что проходит инициализация микроконтроллера, он определяет подключенный к ячейке вывод как вход АЦП и измеряет остаточное напряжение ячейки. Так как скорость разряда ячейки зависит только от номиналов высокостабильных C2/R1, можно вычислить, сколько отсутствовало питание и трактовать, при необходимости, разные времена отсутствия питания как разные команды.
При подаче питания с помощью выключателя источника питания 11 на микроконтроллер 8, вначале им определяется - является ли это включение первым после длительного перерыва или является частью команды, отдаваемой пользователем перевключением устройства. Во 2-м случае микроконтроллер 8 выполняет команду в соответствии с программой, а в 1-м - определяет напряжение питания и режим свечения, заданный пользователем ранее или предустановленный. После определения микроконтроллером 8 с помощью датчика напряжения 2 напряжения питания, определяется, является ли оно повышенным, нормальным, пониженным или критически низким. Если питание повышенное, преобразование не включается, вместо него микроконтроллером 8 с помощью системы управления микрорежимом 9 устанавливается режим малого тока СИД 12 в качестве меры защиты компонентов устройства. Если питание пониженное, микроконтроллер 8 определяет степень его пригодности к установке требуемого тока СИД 12. Если уровень питания непригоден к установке требуемого тока, микроконтроллером 8 с помощью регулировки длительностей импульсов управления силовым контуром 5 устанавливается уровень тока, который может быть обеспечен при данном уровне питания и включается индикация пониженного питания, если питание критически низкое, микроконтроллером 8 с помощью системы управления микрорежимом 9 включается режим малого тока в качестве меры продления времени свечения от источника питания. Если питание определяется микроконтроллером 8 с помощью датчика напряжения 2 как нормальное, микроконтроллер 8 с помощью регулировки длительностей импульсов управления силовым контуром 5 устанавливает требуемый ток СИД 12 и режим свечения - постоянный или периодический. При этом, если напряжение питания выше того напряжения на СИД, при котором устанавливается требуемый ток, то активной является понижающая часть повышающе-понижающего силового контура 5, повышающая часть применяется для точной настройки тока СИД 12, в случае, если напряжение питания ниже того, при котором устанавливается требуемый ток СИД 12, то понижающая часть выполняет функцию коммутации активной повышающей части с источником питания 11 устройства; точная настройка тока СИД 12, как и в предыдущем случае, выполняется за счет элементов повышающей части.
В случае, когда напряжение питания падает, что может быть вызвано разрядом элементов питания или повышением их выходного сопротивления из-за понижения их температуры, понижающая часть выполняет функцию стабилизации до момента, когда напряжение не становится слишком низким, что определяется совокупностью требуемого тока СИД 12 и прямого напряжения на СИД 12, требуемого для установки этого тока. После этого момента, понижающая часть работает как коммутатор источника питания 11 и повышающей части, а достижение требуемого тока СИД 12 осуществляется повышающей частью до момента, когда напряжение питания падает до значений, при которых, в силу аппаратных ограничений, требуется снижение тока СИД 12 для защиты компонентов силового конура 5 или источника питания 11 от превышения токов. Такое защитное снижение тока СИД 12 может быть выполняться несколько раз, пока уровень питания не будет определен как критически низкий или может продолжаться, что определяется требованиями пользователя, в этом случае ток СИД 12 будет уменьшаться снова и снова, держась на безопасном для компонентов устройства или источника питания 11 значении. В случае повышения напряжения питания процесс развивается противоположно: преобразование передается от повышающей системе к понижающей, а при достижении повышенного напряжения вначале производится индикация перенапряжения, а затем преобразование выключается микроконтроллером 8 и происходит переход в режим малых токов СИД 12 с помощью системы управления микрорежимом 9. Различием в реакции устройства между ростом и падением входного напряжения является скорость коррекции тока СИД 12, при росте напряжения питания скорость коррекции всегда выше.
Таким образом, реализуется технический результат.