Hakkuriregulaattorin digitaalinen ohjaus LED-valaisinsovelluksissa

Abstract

Suuritehoisten LED-valaisimien tehomuuntimissa käytetään yleisimmin puolijohdevalmistajien sovelluskohtaisia ohjainpiirejä. Sovelluskohtaiset ohjainpiirit helpottavat suunnittelua, mutta tehomuuntimen säätöön ja ohjaukseen liittyviin ominaisuuksiin ei pystytä vaikuttamaan. Valotehoa säätävää LED-valaisinta syöttävän hakkuriregulaattorin kuormitus vaihtelee merkittävästi käytön aikana, ja hyötysuhteen tulisi pysyä korkeana läpi kuormavirran koko vaihtelualueen. Hakkuriregulaattorin mukautuminen suureen kuormavirran vaihteluun vaatii ohjauksen optimointia, johon sovelluskohtaiset ohjainpiirit eivät kykene. Sovelluskohtaisen ohjainpiirin sijaan hakkuriregulaattorin ohjaus ja säätö voidaan toteuttaa digitaalisesti, jolloin kaikki hakkuriregulaattorin ominaisuudet ovat vapaasti säädettävissä käytön aikana.

Diplomityön keskeisimpänä tavoitteena oli tutkia, voidaanko digitaalisella ohjauksella parantaa valotehoa säätävää LED-valaisinta syöttävän hakkuriregulaattorin hyötysuhdetta ja suorituskykyä. Diplomityössä tehtiin kirjallisuusselvitys saatavilla olevista ratkaisuista ja perehdyttiin digitaalisuuden mukana tuleviin suunnitteluhaasteisiin. Lisäksi suunniteltiin digitaaliseen ohjaukseen tarvittava elektroniikka ja ohjelmisto LLC-resonanssitopologiaan perustuvalle tehoasteelle. Digitaalisen ohjauksen toteutustavaksi valittiin mikrokontrolleri ja suunnittelun tuloksia testattiin toteuttamalla prototyyppi. Oheistoimintoina prototyyppiin lisättiin lähtöjännitteen nousun hallittu viivästäminen käynnistyksen yhteydessä, ylivirtasuojaus ja kevyellä kuormituksella hyötysuhdetta parantava purskeinen ohjaus.

Prototyyppi todettiin testien perusteella vielä keskeneräiseksi, mutta kohtuullisen hyvin toimivaksi tehomuuntimeksi. Hyötysuhde oli korkeimmillaan 95,58% ja pysyi 90%:n yläpuolella, kunnes kuormavirta laski alle 0,5A:n. Purskeinen ohjaus osoittautui hyväksi keinoksi kompensoida hyötysuhteen putoamista kevyellä kuormituksella. Puutteellisten toimintojen ja suunnitteluvirheiden vuoksi prototyypin digitaalisuutta ei voitu hyödyntää parhaalla mahdollisella tavalla. Kirjallisuusselvityksen ja prototyypin testauksen perusteella voidaan kuitenkin todeta, että hakkuriregulaattorin hyötysuhdetta ja suorituskykyä on tietyissä sovelluksissa mahdollista parantaa älykkäillä ohjaus- ja säätöalgoritmeilla. Digitaalisuuden hyödyt korostuvat sovelluksissa, joissa lähtötehon vaihtelu on suurta. Mikäli lähtöteho pysyy vakiona, älykkäästä ohjauksesta ei ole merkittävää hyötyä.

Power converters in high power LED lamps are usually implemented with application specific control ICs. With these application specific control ICs designing of power converter is easier, but there is no possibility to adjust control-related features. In a LED lamp, where luminosity is actively adjusted, load of power converter is varying strongly. Despite load variations, efficiency of power converter should remain as high as possible. To adapt load variations, control optimization of power converter is required. These kinds of features are not supported by application specific control ICs. Instead of application specific control ICs, there is possibility to use digital solutions, where control features are freely adjustable during operation.

Main target of diploma thesis is to verify, is it possible to improve efficiency and performance of LED lamp feeding power converter with digital control. First phase was to familiarize with new design challenges and literary research of digital control solutions. Software and hardware for digital control of LLC-resonant power stage was designed and implemented. Implementation method of digital control was microcontroller. Results of designing process were verified with prototype. Softstart-mechanism, overcurrent protection and burst-mode control were added to prototype as an incidental functions.

Prototype turned out to be still incomplete, but yet quite well working power converter. Highest efficiency measured was 95,58%. Efficiency stayed over 90% until load current dropped under 0,5A. Burst-mode control was discovered to be good way to compensate efficiency drop caused by low load. Because of incomplete measurement solutions and designing bugs all benefits of digital control cannot be fully utilized. However, conclusion based on literary research and prototype testing is, that in some applications efficiency and performance of power converter can be improved with digital control. Benefits of digital control are highlighted in applications, where output power varies strongly. If output power is known to stay between narrow limits, benefits of digital control are minor.