Верен ли мой анализ схемы? (постоянный ток, светодиод, драйвер светодиода, МОП-транзистор)

Вот что мы знаем о понижающем преобразователе постоянного тока:

• Он обеспечивает ток ровно 700 мА со своей выходной стороны через любую нагрузку, подключенную между$^+V_{OUT}$и$^-V_{OUT}$.

• На него подается постоянное напряжение 24В.

• Эффективность 95%.

• Его выходное напряжение$^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}$может быть чем угодно между 0V и$V_{IN} - 3V$или от 0В до 21В.

Поскольку эффективность E представляет собой отношение входной мощности к выходной мощности, мы можем представить это отношение как:

$$P_{OUT} = E \times P_{IN}$$

Использование степенного закона$P = I \times V$, и подставляя то, что мы знаем, вот такая формула, которую мы получаем:

$$\begin{aligned} I_{OUT} \times (^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}) &= E \times I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ 700mA \times (^+V_{OUT} - ^-V_{OUT}) &= \frac{95}{100} \times I_{IN} \times 24V \end{aligned}$$

Заметить, что$+V_{OUT}$и$-V_{OUT}$на данный момент неизвестны, так как мы еще не рассмотрели нагрузку:

1. Мы еще не знаем, какие значения они имеют по отношению друг к другу (разность потенциалов между ними), и

2. важно то, что мы даже не знаем, какие значения они имеют по отношению к 0 В (земля) на стороне входа. Они могут быть полностью изолированы от входа, информацию о котором вы должны получить из паспорта водителя.

Точка (1) является результатом того факта, что любой источник постоянного тока регулирует свое выходное напряжение для поддержания требуемого тока (в данном случае 700 мА), и это будет любое напряжение, которое развивает нагрузка при пропускании этого тока.

Для вашего светодиода это, по-видимому, 17 В, которое будет повышаться при падении температуры светодиода, и наоборот. То, насколько это напряжение повышается и падает с температурой, является параметром, который вы получаете из таблицы данных светодиода. Пока прямое напряжение вашего светодиода никогда не превышает 21 В, это устройство будет работать нормально, а условие$I_{OUT}=700mA$будет поддерживаться.

Отныне вместо того, чтобы писать$(^+V_{OUT} - ^-V_{OUT})$, я буду называть эту разницу просто$V_{OUT}$

Со значением$V_{OUT}=17V$, мы можем вернуться к$P_{IN}$против.$P_{OUT}$отношения, чтобы найти последнее неизвестное$I_{IN}$:

$$\begin{aligned} I_{OUT} \times V_{OUT} &= E \times I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ 700mA \times 17V &= \frac{95}{100} \times I_{IN} \times 24V \\ \\ I_{IN} &= \frac{\frac{100}{95} \times 700mA \times 17V}{24V} \\ \\ &= 0.52A \end{aligned}$$

Теперь у нас есть вся информация, необходимая для расчета входной мощности.$P_{IN}$и выходная мощность$P_{OUT}$(мощность подается на светодиод).

$$\begin{aligned} P_{IN} &= I_{IN} \times V_{IN} \\ \\ &= 0.52A \times 24V = \\ \\ &= 12.5W \end{aligned}$$

$$\begin{aligned} P_{OUT} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= 700mA \times 17V = \\ \\ &= 11.9W \end{aligned}$$

Их разницей будет сила$P_{DRV}$теряется в блоке драйвера:

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= P_{IN} - P_{OUT} \\ \\ &= 12.5W - 11.9W \\ \\ &= 0.6W \end{aligned}$$

Все вышеизложенное служит для иллюстрации взаимосвязей и того, как они соотносятся с поведением преобразователя постоянного тока. Однако это многословно, и его можно было бы сократить до очень простого:

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= P_{IN} - P_{OUT} \\ \\ &= \frac{1}{95\%} \times P_{OUT} - P_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times P_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{95\%} - 1) \times 700mA \times 17V \\ \\ &= 0.6W \end{aligned}$$

Я перепишу здесь уравнения мощности светодиода и драйвера, чтобы проиллюстрировать следующий момент:

$$\begin{aligned} P_{LED} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ P_{DRV} &= (\frac{1}{E} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ \end{aligned}$$

Поскольку ток светодиода$I_{OUT}$постоянна, и если предположить, что эффективность также остается постоянной (незначительное изменение во всем диапазоне рабочих условий), вы можете видеть, что мощность, рассеиваемая в каждом элементе, является функцией$V_{OUT}$только. Поэтому, чтобы найти наихудшее рассеивание мощности в драйвере и светодиоде, вам нужно найти наихудшее значение$V_{OUT}$.

В обоих случаях максимальная мощность$V_{OUT}$находится на максимуме, и, как я уже говорил, вам нужно обратиться к техническому описанию вашего светодиода, чтобы узнать, что это будет. Это произойдет при самой низкой температуре, которую вы ожидаете от своего светодиода.

Я не думаю, что вам придется беспокоиться о сильном увеличении мощности драйвера во всем диапазоне рабочих температур светодиода. Однако в ужасном случае, когда общее прямое напряжение светодиода возрастает до 21 В, максимум, который может обеспечить ваш преобразователь, мощность, рассеиваемая в драйвере и светодиоде, будет:

$$\begin{aligned} P_{LED} &= I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= 700mA \times 21V \\ \\ &= 14.7W \end{aligned}$$

и

$$\begin{aligned} P_{DRV} &= (\frac{1}{E} - 1) \times I_{OUT} \times V_{OUT} \\ \\ &= (\frac{1}{0.95} - 1) \times 700mA \times 21V \\ \\ &= 0.77W \end{aligned}$$

Что касается вашей ссылки на МОП-транзистор, я ничего не вижу в вашем вопросе, о каком МОП-транзисторе вы говорите. Я предполагаю, что вы имеете в виду, что хотите включить или выключить светодиод с помощью внешнего транзистора. Вот мои мысли по этому поводу:

• Зачем это делать, если у вас есть цифровой вход вкл/выкл на драйвере?

• Так как я не знаю, если$^+V_{OUT}$и$^-V_{OUT}$изолированы, или, другими словами, если есть точки соприкосновения и на чьей они стороне, практичность сомнительна.

• Вы должны быть очень уверены в том, как ваш драйвер будет вести себя при подключении и отключении нагрузки таким образом. Это может быть даже обескуражено. Опять же, даташит — ваш друг.

Когда я подаю 5 В на затвор МОП-транзистора, его сопротивление RDSon составляет 25 мОм ( https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BUK9Y29-40E.pdf ). Учитывая, что напряжение на МОП-транзисторе V = IR, V = (0,7 А) (0,025 Ом) = 0,0175 В падение на МОП-транзисторе.

Вам вообще нужен МОП-транзистор? У водителя есть кнопка включения/выключения. Вместо того, чтобы отключать питание драйвера, вы можете просто выключить его.

Таким образом, в точке B на схеме напряжение (когда МОП-транзистор включен) будет 24–3 В = 20 В.

В техническом описании не сказано, но, вероятно, это изолированный драйвер, поэтому между источником питания/землей и текущим драйвером не существует пути постоянного тока. Поэтому вы не можете сказать, какое напряжение на драйвере относительно входа. Поскольку напряжение плавающее, оно может быть 0, -24, +50 или любое другое значение относительно земли.

Так что в конечном итоге мой светодиод будет получать 20 В при токе 0,7 А. Прямое напряжение светодиода составляет 17,2 В, поэтому в точке C моей схемы напряжение будет 20 - 17,2 = 2,8 В. Таким образом, фактически останется 2,8 В или, так сказать, неиспользованное напряжение?

Я думаю, вы неправильно понимаете значение постоянного тока. Источники постоянного тока, такие как драйверы светодиодов, предназначены для измерения тока через диодный переход и регулировки напряжения для управления заданным током. В этом случае, если ваш светодиод имеет Vf 17,2 В при 700 мА, и вы установили драйвер на 700 мА, то напряжение на диоде (не относительно земли) будет почти 17,2 В. Когда диод нагревается и прямое напряжение падает, драйвер снижает напряжение для компенсации, чтобы ток оставался постоянным.

Я не понимаю, как определить мощность/тепло, рассеиваемое светодиодным драйвером. Если падение напряжения на драйвере светодиода составляет 3 В, а ток через него 0,7 А, то P = P = VI = (3)(.7) = 2,1 Вт.

Вы анализируете это, как если бы это был линейный регулятор (в основном, резистор), но это преобразователь Buck, поэтому входное напряжение / ток преобразуется. Падение напряжения на драйвере зависит от того, что вы подаете (24 В). Ток через него будет зависеть от нагрузки.

Но в листе данных также указано, что эффективность светодиодного драйвера составляет 95%. Означает ли это 95% от общей мощности нагрузки? В этом случае нагрузка (светодиод) потребляет P = VI = (17,2)(0,7) = 12 Вт, поэтому 5% этого количества будет рассеяно драйвером светодиода в виде тепла, что составит 12 * 0,05 = 0,602 Вт.

Это означает, что 95% мощности, потребляемой драйвером, поступает в нагрузку. Таким образом, если на нагрузку подается 10 Вт, то на драйвер должно поступать 10/0,95 = 10,5 Вт. Следовательно, 0,5 рассеивается. Маловероятно, что вам понадобится охлаждать светодиодный драйвер при таких низких уровнях мощности.

Что касается светодиода, как я уже упоминал, он имеет прямое напряжение 17,2 В и ток 700 мА при температуре испытания 85 С. Насколько я понимаю, если я использую достаточный теплоотвод, чтобы поддерживать температуру светодиода на уровне 85 или ниже. C, то приведенный выше анализ будет верен, и прямое напряжение будет поддерживаться на уровне около 17,2 В.

Если прямое напряжение указано на уровне 85°C, и вы собираетесь охлаждать его при более низких температурах, то вам фактически придется подавать большее напряжение. К счастью, максимальное напряжение, которое может выдать драйвер, составляет 21 В, так что у вас есть запас напряжения.