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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Microcircuiti driver LED ad alta luminosità. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / illuminazione Non è difficile accendere un LED, per questo è sufficiente collegarlo in connessione diretta tramite un resistore limitatore a una fonte di alimentazione. Ma questo metodo è estremamente antieconomico, poiché si crea una grande caduta di tensione sul resistore limitatore e quindi grandi perdite. Inoltre, la corrente attraverso il LED e la luminosità del suo bagliore con tale inclusione saranno estremamente instabili. Per aumentare l'efficienza e la stabilità del bagliore dei LED, vengono utilizzati driver su microcircuiti specializzati. Alcuni di loro saranno discussi in questo articolo. L'autore considera una serie di chip driver di Monolithic Power Systems (MPS). Classificazione dei chip driver in base ai convertitori DC/DC I chip driver per l'alimentazione di LED ultra luminosi possono essere trovati in dispositivi di varia complessità, dalle torce LED ai telefoni cellulari, fotocamere digitali, computer, ecc. Uno degli usi più comuni dei LED è nei circuiti di retroilluminazione a LED per display LCD. I driver per dispositivi autoalimentati di solito hanno un'efficienza elevata (oltre il 90%). Sono convertitori boost DC/DC a commutazione regolabile o convertitori buck-boost. Puoi trovare i cosiddetti driver capacitivi con un circuito boost di tensione e driver induttivi. Di solito usano la stabilizzazione della corrente di uscita (ovvero la corrente dei LED), che garantisce una luminosità stabile dei LED. Meno spesso, per questo viene utilizzata la stabilizzazione della tensione sui LED. I convertitori boost capacitivi sono anche chiamati convertitori a pompa di carica. Questa è una traduzione letterale del termine inglese Charge Pump, che si riferisce a questi circuiti nella letteratura e nella documentazione tecnica straniera. Possono funzionare come convertitori buck-boost. I vantaggi indiscutibili dei driver Charge Pump sono la semplicità e il basso costo. I driver utilizzano anche convertitori induttivi con architettura SEPIC (convertitore a induttore primario single-ended - un convertitore primario single-ended su induttanza) come convertitori c.c./c.c. aumento della tensione del circuito. I convertitori boost hanno anche trovato grande impiego nelle applicazioni alimentate a bassa tensione. Hanno un'alta efficienza e una grande corrente di uscita con altri indicatori medi. Le caratteristiche dei driver sui convertitori DC/DC fornite in [1] sono riassunte nella Tabella 1. Tabella 1. Caratteristiche dei driver basati su convertitori CC/CC
I convertitori step-down negli elettrodomestici sono usati raramente come driver LED. Pertanto, considereremo più in dettaglio le caratteristiche dei circuiti dei driver dei restanti tre tipi sui microcircuiti di Monolithic Power Systems. Driver per l'alimentazione di LED ultraluminosi con circuito boost di tensione (Charge Pump) di MPS Il chip MP1519 è un driver per alimentare quattro LED bianchi con un circuito di boost di tensione (Pompa di carica) alimentato da una sorgente da 2,5 ... 5,5 V (vedi Fig. 1).
Il microcircuito è prodotto in un pacchetto QFN16 a 16 pin in miniatura con una dimensione di 3x3 mm. Lo scopo dei pin di questo microcircuito è mostrato nella Tabella 2. Tabella 2. Scopo dei pin del chip MP1519
L'IC MP1519 contiene un sensore di tensione della batteria, un controller di controllo, un generatore di corrente, una sorgente di tensione di riferimento della zona proibita (ION), quattro sorgenti di corrente LED (stabilizzatori) e un circuito di boost di tensione. In serie con ciascun LED all'interno del microcircuito, viene attivato uno stabilizzatore di corrente (sorgente di corrente - sorgente di corrente) e il generatore di corrente controlla la modalità di tutte e quattro le sorgenti di corrente. Il controller di controllo fornisce la selezione automatica della modalità boost, avvio "soft", ecc. Il circuito boost di tensione converte la tensione di alimentazione in impulsi da 1,3 MHz, che vengono raddrizzati e caricano i condensatori di accumulo C1 e C2. Quando si utilizza un circuito boost di tensione per alimentare i LED, la tensione della batteria viene aggiunta alle tensioni su questi condensatori. Per il corretto funzionamento del circuito di boost di tensione, i condensatori C1 e C2 devono avere la stessa capacità. Una delle caratteristiche del chip MP1519 è la commutazione automatica del rapporto di aumento della tensione: 1x, 1,5x e 2x. Ciò fornisce una stabilizzazione ottimale delle correnti e, quindi, della luminosità dei LED quando la tensione di alimentazione cambia (ad esempio, durante l'invecchiamento o la sostituzione della batteria). Per fare ciò, durante il funzionamento, il microcircuito monitora continuamente la corrente dei LED e la tensione della batteria. Per evitare il sovraccarico della batteria, il chip MP1519 utilizza un avvio "soft" e una commutazione "soft" delle modalità boost. La corrente dei LED è impostata dal resistore R1, la cui resistenza può essere calcolata con la formula: R1(k) = 31,25/ILED(mA) In presenza di una tensione di alimentazione di 2,5 ... 5,5 V sul pin. 5 e 13 dell'IC, il driver viene acceso applicando un livello di alta tensione all'ingresso di autorizzazione EN (pin 12) di questo microcircuito. All'accensione, il controller del microcircuito MP1519 analizza l'entità della tensione di alimentazione, la corrente dei LED e attiva l'una o l'altra modalità di aumento della tensione. Il driver si spegne (spegnimento dei LED) con un livello basso sul pin. 12 con un ritardo di 30 µs. L'ingresso EN può essere utilizzato sia per la regolazione analogica che PWM dei LED. È per l'oscuramento PWM che è necessario il ritardo di spegnimento del microcircuito. A tale scopo, all'ingresso di abilitazione EN viene applicato un segnale PWM di controllo esterno con una frequenza di 50 Hz ... 50 kHz. Al termine dell'impulso del segnale di controllo, la corrente dei LED e la loro luminosità diminuiscono gradualmente fino a zero entro 30 µs. Maggiore è il duty cycle degli impulsi di controllo, minore è la luminosità media dei LED. A una frequenza del segnale di controllo superiore a 50 kHz, la luminosità è regolata in modo inefficiente e a una frequenza inferiore a 50 Hz diventa evidente il lampeggio dei LED. Per dimmerazione analogica su pin. 11 L'MP1519 viene alimentato con una tensione di regolazione costante attraverso il partitore di tensione R2 R1 (vedi Fig. 2). Modificando questa tensione da 0 a 3 V all'ingresso del divisore R2 R1, è possibile modificare la corrente del LED da 0 a 15 mA.
MPS produce altri due microcircuiti simili nei circuiti e nella piedinatura a MP1519: questi sono MP1519L e MP3011. Il chip MP1519L è progettato per funzionare con tre LED bianchi e differisce dall'MP1519 per il pin MP1519L. 1 non viene utilizzato. È disponibile nei package QFN16 (3x3mm) e TQFN16 (3x3mm). Il chip MP3011 è progettato per funzionare solo con due LED bianchi. Anche questo chip non utilizza pin. 14. Questo chip è disponibile in un pacchetto QFN16 (3x3mm). Driver per l'alimentazione di LED ultra luminosi basati su convertitori CC/CC step-up (Boost, Step-Up) di MPS Una descrizione dettagliata del chip MP2481 può essere trovata in [2], quindi considera i seguenti chip: MP3204, MP3205, MP1518, MP1523, MP1528, MP1521, MP1529 e MP1517. Il microcircuito MP3204 è un classico convertitore boost DC/DC che, con una tensione di ingresso di 2,5 ... 6 V, consente di ottenere una tensione costante fino a 21 V sui LED collegati in serie. collegato al massimo MP3204, ma per un controllo ottimale, il produttore consiglia di collegare tre LED bianchi all'uscita del microcircuito (vedi Fig. 3).
Il microcircuito contiene un oscillatore da 1,3 MHz, PWM, un amplificatore di segnale di feedback, un amplificatore di segnale da un sensore di corrente e un interruttore di uscita a transistor ad effetto di campo. È prodotto in un pacchetto TSOT23-6 in miniatura. Lo scopo dei pin di questo microcircuito è mostrato nella Tabella 3. Tabella 3. Scopo dei pin del chip MP3204
Il driver per MP3204 (Fig. 3) funziona come segue. Il microcircuito viene attivato applicando un livello alto all'ingresso di abilitazione EN (pin 4). Quando il tasto di uscita (pin 1 e 2) è chiuso, una corrente crescente scorre dalla fonte di alimentazione attraverso l'induttore L1 e viene creato un campo magnetico nel nucleo dell'induttore. Quando l'interruttore di uscita si apre, nell'induttore appare un EMF di autoinduzione ("+" a destra in Fig. 4 e "-" a sinistra), che viene aggiunto alla tensione di alimentazione del circuito. Con questa tensione totale, il condensatore di accumulo C1 viene caricato attraverso il diodo D2. La tensione di questo condensatore viene utilizzata per alimentare i LED collegati in serie. I condensatori ceramici vengono solitamente utilizzati come condensatore del filtro di ingresso C1 e condensatore di accumulo all'uscita C2. Il condensatore di accumulo C2 da 0,22 uF è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni, ma può essere aumentato a 1 uF. L'induttanza L1 dovrebbe avere una piccola resistenza CC. Nella posizione D1 è installato un diodo Schottky con una corrente continua di 100 ... 200 mA. Il resistore R1, collegato in serie ai LED, viene utilizzato come sensore di corrente per i LED. Per stabilizzare la corrente dei LED, la tensione da R1, proporzionale a questa corrente, viene alimentata all'ingresso di retroazione FB del microcircuito. La resistenza del resistore R1 imposta la corrente dei LED. La dipendenza della corrente del LED dalla resistenza del resistore R1 è mostrata nella Tabella 4. Tabella 4. Dipendenza della corrente del LED su R1
Per proteggere l'alimentatore dal sovraccarico all'accensione, il microcircuito dispone di un circuito di avvio progressivo integrato. Il chip fornisce dimmer analogico e PWM e ci sono tre modi diversi per regolare la luminosità. Per la regolazione analogica, il circuito mostrato in fig. 4.
Quando la tensione di controllo passa da 2 a 0 V, la corrente del LED passa da 0 a 20 mA. Oltre all'attenuazione analogica, è possibile utilizzare due metodi di attenuazione PWM. L'essenza del primo metodo è che un segnale PWM con una frequenza fino a 1 kHz viene applicato direttamente all'ingresso EN (pin 4). La corrente e la luminosità dei LED sono inversamente proporzionali al duty cycle degli impulsi PWM di controllo, cioè sono direttamente proporzionali alla durata di questi impulsi. Nel secondo metodo, un segnale PWM con una frequenza superiore a 1 kHz viene inviato all'ingresso di feedback FB (pin 3) attraverso un filtro di isolamento (vedere Fig. 5).
Il microcircuito ha una protezione da sovraccarico quando la tensione di ingresso diminuisce (Under Voltage Lockout) con una soglia di intervento di 2,25 V e un'isteresi di 92 mV e una protezione da sovraccarico per il superamento della tensione di uscita, ad esempio, se uno dei LED si rompe. Per fare ciò, la tensione di uscita del convertitore viene applicata all'ingresso del circuito di protezione OV (pin 5). Questa protezione si attiva quando la tensione di uscita è di 28 V e spegne l'inverter. Per riprovare ad accenderlo, è necessario spegnere e riaccendere l'alimentazione del circuito. Il microcircuito MP3205, a differenza dell'MP3204, non ha la protezione della tensione di uscita e l'ingresso OV Il microcircuito MP3205 è prodotto in un pacchetto TSOT5-23 a 5 pin. Spillo. 5 del caso TSOT23-5 di questo microcircuito, in termini di posizione e scopo, corrisponde al pin. 6 chip MP3204 nel pacchetto TSOT23-6. Molto vicini nei parametri e nei circuiti ai microcircuiti MP3204 e MP3205 sono i microcircuiti MP1518 e MP1523, progettati per controllare fino a 6 LED. L'MP1518 è disponibile nei package TSOT23-6 e QFN-8. Il chip MP1518 nel pacchetto TSOT23-6 è completamente identico nei pin all'MP3204. Il chip MP1523 è prodotto solo nel pacchetto TSOT23-6 e presenta una serie di differenze rispetto all'MP1518. Il pinout del chip MP1523 è praticamente lo stesso dell'MP3205, ma differisce da esso per il pin. 5 (BIAS) MP1523 può essere collegato al positivo dell'alimentatore (2,7 ... 25 V) - quasi come un pin. 5 (IN) del chip MP3205, o all'uscita del circuito (al catodo D1). In quest'ultimo caso, il microcircuito MP1523 avrà un circuito di protezione da sovraccarico per il superamento della tensione di uscita con una soglia di 28 V. Il resistore del sensore di corrente collegato in serie ai LED deve avere una resistenza di 20 ohm per questo microcircuito. L'MP1523 non ha circuiti di regolazione del LED. Un altro driver step-up per l'alimentazione di 9 LED viene eseguito sul chip MP1528 (pacchetto QFN6 3x3 mm o MSOP8, in cui il chip è contrassegnato come MP1528DK). Le assegnazioni dei pin dell'MP1528 sono mostrate nella Tabella 5. Tabella 5. Scopo dei pin del microcircuito
Il tipico circuito di commutazione del microcircuito MP1528 differisce leggermente dagli altri driver discussi sopra (vedi Fig. 6).
Per garantire la massima luminosità dei LED, è necessario applicare all'ingresso BRT una tensione superiore a 1,2 V. La corrente dei LED alla massima luminosità è determinata dal resistore R1, la cui resistenza può essere calcolata con la formula: R1(k) = uWATT/(3 ILED(mA)) L'oscuramento analogico viene eseguito modificando la tensione CC sul pin BRT da 0,27 V a 1,2 V. Per fornire la regolazione PWM, all'ingresso BRT viene applicato un segnale PWM con una frequenza da 100 a 400 Hz, il cui livello basso non deve superare 0,18 V e il livello alto non deve essere inferiore a 1,2 V. Il microcircuito ha protezione contro il superamento della tensione di uscita, con una soglia di risposta di 40 V, nonché protezione contro l'abbassamento della tensione di ingresso (soglia operativa 2,1 ... 2,65 V) e protezione della temperatura con una soglia di 160 ° C. Uno dei driver più potenti sui convertitori DC-DC di MPS è il chip MP1529 (solo l'MP1517 è più potente dei circuiti integrati in esame). Il chip MP1529 dovrebbe essere di particolare interesse per i lettori, in quanto viene utilizzato in fotocamere digitali, videocamere e telefoni cellulari con una fotocamera digitale incorporata. Può pilotare tre catene (linee) di LED bianchi ultra luminosi collegati in serie. Due di queste linee (LED1 e LED2) di sei LED ciascuna vengono utilizzate per la retroilluminazione degli indicatori a cristalli liquidi (LCD) e la terza (LED3) di quattro LED viene utilizzata per il flash e per illuminare oggetti al buio (modalità Anteprima). La tensione di alimentazione del microcircuito MP1529 è 2,7 ... 5,5 V e la tensione di uscita è 25 V. Ha protezione contro il superamento della tensione di uscita con una soglia di 28 V, nonché protezione contro la sottotensione della tensione di ingresso con un soglia di 2 ... 2,6 V e isteresi 210 mV. L'MP1529 ha anche una protezione dalla temperatura (160°C) ed è disponibile in un contenitore QFN16 da 4x4 mm. Lo scopo dei pin MP1529 è mostrato nella tabella 6 e un tipico circuito di commutazione è mostrato in fig. 7. Tabella 6. Scopo dei pin del chip MP1529
Gli ingressi di abilitazione EN1 e EN2 sono utilizzati per abilitare varie modalità. Se entrambi gli ingressi sono a livello logico basso L (0,3 V), tutti i 16 LED si spengono. Se l'ingresso EN2 viene mantenuto basso e EN1 è impostato su un livello alto H (1,4 V), i LED flash (LED3) rimarranno spenti e i 12 LED di retroilluminazione (catena LED1 e LED2) si illumineranno il più intensamente possibile. La luminosità e la corrente massima dei LED di retroilluminazione sono impostate dalla resistenza del resistore RS1 (collegato al pin 9). Se, allo stesso tempo, viene applicato un segnale PWM di controllo con una frequenza di 1 ... 1 kHz all'ingresso EN50, allora, a seconda del ciclo di lavoro di questo segnale, la luminosità dell'illuminazione dei LED di retroilluminazione cambierà . Se l'ingresso di abilitazione EN2 è impostato su un livello logico basso, si accenderà inoltre una catena di quattro LED (LED3) nella modalità di illuminazione (anteprima). In questo caso, la corrente dei LED LED3 sarà determinata dalla resistenza del resistore RS2 (pin 10). Se viene applicato un livello basso all'ingresso EN1 e un livello alto all'ingresso EN2, i LED di retroilluminazione LED1 e LED2 si spengono e i LED LED3 si accendono il più intensamente possibile (modalità flash). In questa modalità, la corrente dei LED LED3 è impostata dalla resistenza del resistore RS3 (pin 11). La resistenza delle resistenze RS1, RS2 e RS3 (in kΩ) si calcola con le formule: RS1 = (950 USET)/IOLED_BL RS1 = (1100 USET)/IOLED_PV RS1 = (1000 USET)/IOLED_FL dove seiSET - tensione di riferimento interna 1,216 V, ILED_BL - corrente (in mA) di uno dei circuiti LED di retroilluminazione LED1 o LED2, ILED_PV - corrente (in mA) dei LED LED3 in modalità illuminazione, ILED_FL- corrente (in mA) dei LED LED3 in modalità flash. Le informazioni sulle modalità operative del chip MP1529, a seconda dei livelli logici agli ingressi di abilitazione EN1 e EN2, sono riassunte nella Tabella 7. Tabella 7. Modalità operative del chip MP1529 in base ai segnali sugli ingressi EN1 e EN2
* L - livello basso, H - livello alto I condensatori C1 e C2 sono i condensatori di accumulo dei filtri all'ingresso e all'uscita del circuito, rispettivamente, C3 è il condensatore di accumulo del filtro della tensione di controllo all'ingresso dello stadio PWM (questo PWM fornisce la stabilizzazione della tensione di uscita), C4 è il condensatore del circuito di soft start (timer PWM). Il chip MP1521 con una tensione di alimentazione di 2,7 V consente di collegare fino a 9 LED super luminosi e con una tensione di alimentazione di 5 V - fino a 15 LED super luminosi. La tensione di alimentazione massima dell'IC è 25 V. L'MP1521 è disponibile nei package MSOP10 (MP1521EK) e QFN16 (MP1521EQ). Lo scopo dei pin di questo microcircuito è mostrato nella tabella 8 e il circuito di commutazione per l'alimentazione di 9 LED è mostrato in fig. 8. Tabella 8. Assegnazione dei pin del chip MP1521 nei package MSOP10, QFN16 (3x3 mm)
I resistori R1, R2 e R3 (Fig. 8) sono sensori di corrente a LED. Con la regolazione analogica, la tensione viene applicata all'ingresso EN nell'intervallo 0,3 ... 1,2 V e con la regolazione PWM, un segnale PWM con una frequenza di 100 ... 400 Hz con un livello basso non superiore a 0,18 V e un livello elevato non superiore a 1,2, XNUMX V. Convertitore boost e convertitore di tipo SEPIC sul chip MP1517 Il produttore consiglia di utilizzare il chip MP1517 non solo come convertitore boost DC/DC, ma anche come convertitore SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter). La tensione di alimentazione di questo microcircuito è compresa nell'intervallo 2,6 ... 25 V. È prodotto in un pacchetto QFN16 di dimensioni 4x4 mm. L'assegnazione dei pin del chip MP1517 è mostrata nella tabella 9 e un tipico circuito di commutazione è mostrato in fig. 9. Tabella 9. Scopo dei pin del chip MP1517
Questo circuito differisce dai precedenti (vedi Fig. 6 o 8) solo per il fatto che il sensore di corrente di uno dei tre LED in serie viene utilizzato per stabilizzare la corrente del LED. Pertanto, ci soffermeremo più in dettaglio solo sulla descrizione del circuito del convertitore DC / DC di tipo SEPIC sull'MP1517 (vedi Fig. 10).
Una caratteristica del convertitore SEPIC è che la tensione alla sua uscita può essere superiore o inferiore all'ingresso, il che è garantito dalla presenza di un condensatore di accoppiamento C8 (vedi [3, 4]). Lo schema in fig. 10 produce una tensione di 3,3 V in uscita quando la tensione di ingresso passa da 3 a 4,2 V. Qualsiasi convertitore di tipo SEPIC è assemblato sulla base di un convertitore boost di commutazione, che è facile vedere nello schema seguente. Inoltre, questo convertitore boost (su L1, D2) viene utilizzato per alimentare il microcircuito stesso. Vediamo come funziona il convertitore SEPIC MP1517 in stato stazionario. Come risultato del lavoro precedente, quando la chiave interna dell'MS sul transistor ad effetto di campo viene sbloccata, il condensatore C8 verrà caricato ("+" - a sinistra in Fig. 10, "-" - su la destra). Quando questa chiave viene aperta, C8 verrà scaricato attraverso l'induttore L2, in cui si accumulerà l'energia del campo magnetico variabile. Inoltre, l'induttore L1 accumulerà anche energia magnetica, attraverso la quale una corrente crescente fluirà dalla fonte di alimentazione attraverso la stessa chiave interna del microcircuito. Quando la chiave è bloccata nell'induttore L1, appare un EMF ("+" - a destra, "-" - a sinistra), che si somma alla tensione della fonte di alimentazione e carica C8 ("+" - a a sinistra, "-" - a destra) attraverso D1 e il condensatore C2. Inoltre, un EMF appare in L2 ("+" - in alto, "-" - in basso), caricando C2 attraverso D1. Al successivo sblocco della chiave interna del microcircuito, il processo verrà ripetuto. Il valore della tensione all'uscita del convertitore (su C2) dipende principalmente dal duty cycle degli impulsi di controllo chiave e dalla corrente di carico. R1 R2 - partitore di tensione di retroazione, che fornisce la stabilizzazione della tensione di uscita, C6 - condensatore del filtro di tensione di errore. C5 è il resistore di disaccoppiamento e C4 è il condensatore di avvio graduale. Letteratura
Autore: I. Bezverkhny
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