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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Microcircuitos de driver de LED de alto brilho. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / iluminação Não é difícil acender um LED, para isso basta conectá-lo em conexão direta através de um resistor limitador a uma fonte de alimentação. Mas esse método é extremamente antieconômico, pois uma grande queda de tensão é criada no resistor limitador e, portanto, grandes perdas. Além disso, a corrente através do LED e o brilho de seu brilho com tal inclusão serão extremamente instáveis. Para aumentar a eficiência e a estabilidade do brilho dos LEDs, são utilizados drivers em microcircuitos especializados. Alguns deles serão discutidos neste artigo. O autor considera vários chips de driver de Monolithic Power Systems (MPS). Classificação de chips de driver com base em conversores DC / DC Chips de driver para alimentar LEDs ultrabrilhantes podem ser encontrados em dispositivos de complexidade variada, desde lanternas de LED a telefones celulares, câmeras digitais, computadores, etc. Um dos usos mais comuns para LEDs é em circuitos de retroiluminação de LED para monitores LCD. Os drivers para dispositivos autoalimentados geralmente têm alta eficiência (mais de 90%). Eles são conversores DC/DC boost ou buck-boost de comutação ajustável. Você pode encontrar os chamados drivers capacitivos com um circuito de aumento de tensão e drivers indutivos. Eles geralmente usam a estabilização da corrente de saída (ou seja, a corrente dos LEDs), o que garante um brilho estável dos LEDs. Com menos frequência, a estabilização de tensão nos LEDs é usada para isso. Os conversores boost capacitivos também são chamados de conversores de bomba de carga. Esta é uma tradução literal do termo inglês Charge Pump, que se refere a esses esquemas na literatura e documentação técnica estrangeira. Eles podem funcionar como conversores buck-boost. As vantagens indiscutíveis dos drivers Charge Pump são sua simplicidade e baixo custo. Os drivers também usam conversores de arquitetura SEPIC indutivos (conversor de indutor primário de terminação única - um conversor primário de terminação única em indutância) como conversores DC / DC boost-lower, cujas vantagens são corrente de saída e eficiência um pouco mais altas do que conversores com um aumento de tensão do circuito. Os conversores Boost também encontraram grande uso em aplicações de baixa tensão. Eles têm uma alta eficiência e uma grande corrente de saída com outros indicadores médios. Os recursos dos drivers nos conversores CC/CC fornecidos em [1] estão resumidos na Tabela 1. Tabela 1. Recursos de drivers baseados em conversores DC/DC
Os conversores abaixadores em eletrodomésticos raramente são usados como drivers de LED. Portanto, consideraremos os recursos dos circuitos dos drivers dos três tipos restantes em microcircuitos de Monolithic Power Systems com mais detalhes. Drivers para alimentar LEDs ultrabrilhantes com um circuito de aumento de tensão (Charge Pump) da MPS O chip MP1519 é um driver para alimentar quatro LEDs brancos com um circuito de reforço de tensão (Charge Pump) alimentado por uma fonte de 2,5 ... 5,5 V (ver Fig. 1).
O microcircuito é fabricado em um pacote QFN16 miniatura de 16 pinos com um tamanho de 3x3 mm. A finalidade dos pinos deste microcircuito é mostrada na Tabela 2. Tabela 2. Finalidade dos pinos do chip MP1519
O IC MP1519 contém um sensor de tensão de bateria, um controlador de controle, um gerador de corrente, uma fonte de tensão de referência de zona proibida (ION), quatro fontes de corrente de LED (estabilizadores) e um circuito de aumento de tensão. Em série com cada LED dentro do microcircuito, um estabilizador de corrente (fonte de corrente - fonte de corrente) é ligado e o gerador de corrente controla o modo de todas as quatro fontes de corrente. O controlador de controle fornece seleção automática do modo de reforço, partida "suave", etc. O circuito de aumento de tensão converte a tensão de alimentação em pulsos de 1,3 MHz, que são retificados e carregam os capacitores de armazenamento C1 e C2. Ao usar um circuito de aumento de tensão para alimentar os LEDs, a tensão da bateria é adicionada às tensões desses capacitores. Para o correto funcionamento do circuito de aumento de tensão, os capacitores C1 e C2 devem ter a mesma capacitância. Uma das características do chip MP1519 é a comutação automática da taxa de aumento de tensão: 1x, 1,5x e 2x. Isso fornece uma estabilização de corrente idealmente eficaz e, portanto, o brilho dos LEDs quando a tensão de alimentação muda (por exemplo, durante o envelhecimento ou substituição da bateria). Para fazer isso, durante a operação, o microcircuito monitora continuamente a corrente dos LEDs e a tensão da bateria. Para evitar a sobrecarga da bateria, o chip MP1519 usa um início "suave" e uma comutação "suave" dos modos de reforço. A corrente dos LEDs é definida pelo resistor R1, cuja resistência pode ser calculada pela fórmula: R1(kOhm) = 31,25/ICONDUZIU(mA) Na presença de uma tensão de alimentação de 2,5 ... 5,5 V no pino. 5 e 13 do IC, o driver é ligado aplicando um nível de alta tensão na entrada de permissão EN (pino 12) deste microcircuito. Quando ligado, o controlador do microcircuito MP1519 analisa a magnitude da tensão de alimentação, a corrente dos LEDs e liga um ou outro modo de aumento de tensão. O driver desliga (apagando os leds) com nível baixo no pino. 12 com um atraso de 30 µs. A entrada EN pode ser usada para escurecimento analógico e PWM de LEDs. É para o escurecimento PWM que o atraso de desligamento do microcircuito é necessário. Para fazer isso, um sinal PWM de controle externo com uma frequência de 50 Hz ... 50 kHz é aplicado à entrada de habilitação EN. Quando o pulso do sinal de controle termina, a corrente dos LEDs e seu brilho diminuem gradualmente para zero em 30 µs. Quanto maior o ciclo de trabalho dos pulsos de controle, menor o brilho médio dos LEDs. Em uma frequência do sinal de controle superior a 50 kHz, o brilho é regulado de forma ineficiente e, em uma frequência abaixo de 50 Hz, os LEDs piscam. Para escurecimento analógico no pino. 11 O MP1519 é alimentado com uma tensão de ajuste constante através do divisor de tensão R2 R1 (ver Fig. 2). Ao alterar essa tensão de 0 para 3 V na entrada do divisor R2 R1, você pode alterar a corrente do LED de 0 para 15 mA.
O MPS produz mais dois microcircuitos semelhantes em circuitos e pinagem ao MP1519 - são MP1519L e MP3011. O chip MP1519L foi projetado para funcionar com três LEDs brancos e difere do MP1519 no pino MP1519L. 1 não é usado. Está disponível nos pacotes QFN16 (3x3mm) e TQFN16 (3x3mm). O chip MP3011 foi projetado para funcionar com apenas dois LEDs brancos. Este chip também não usa pino. 14. Este chip está disponível em um pacote QFN16 (3x3mm). Drivers para alimentar LEDs ultrabrilhantes baseados em conversores DC / DC step-up (Boost, Step-Up) da MPS Uma descrição detalhada do chip MP2481 pode ser encontrada em [2], então considere os seguintes chips: MP3204, MP3205, MP1518, MP1523, MP1528, MP1521, MP1529 e MP1517. O microcircuito MP3204 é um clássico conversor DC/DC boost que, com uma tensão de entrada de 2,5 ... 6 V, permite obter uma tensão constante de até 21 V em LEDs conectados em série. Até cinco LEDs podem ser conectado ao máximo MP3204, mas para controle ideal, o fabricante recomenda conectar três LEDs brancos à saída do microcircuito (consulte a Fig. 3).
O microcircuito contém um oscilador de 1,3 MHz, PWM, um amplificador de sinal de feedback, um amplificador de sinal de um sensor de corrente e uma chave de saída de transistor de efeito de campo. É fabricado em um pacote TSOT23-6 em miniatura. A finalidade dos pinos deste microcircuito é mostrada na Tabela 3. Tabela 3. Finalidade dos pinos do chip MP3204
O driver do MP3204 (Fig. 3) funciona da seguinte maneira. O microcircuito é ligado aplicando um nível alto à entrada de habilitação EN (pino 4). Quando a chave de saída (pinos 1 e 2) é fechada, uma corrente crescente flui da fonte de alimentação através do indutor L1 e um campo magnético é criado no núcleo do indutor. Quando a chave de saída abre, um EMF de auto-indução aparece no indutor ("+" à direita na Fig. 4 e "-" à esquerda), que é adicionado à tensão de alimentação do circuito. Com esta tensão total, o capacitor de armazenamento C1 é carregado através do diodo D2. A tensão desse capacitor é usada para alimentar os LEDs conectados em série. Os capacitores de cerâmica são geralmente usados como o capacitor de filtro de entrada C1 e o capacitor de armazenamento na saída C2. O capacitor de armazenamento C2 de 0,22 uF é suficiente para a maioria das aplicações, mas pode ser aumentado para 1 uF. Choke L1 deve ter uma pequena resistência DC. Na posição D1 está instalado um diodo Schottky com corrente contínua de 100 ... 200 mA. O resistor R1, conectado em série com os LEDs, é usado como sensor de corrente para os LEDs. Para estabilizar a corrente dos LEDs, a tensão de R1, proporcional a esta corrente, é alimentada na entrada de realimentação FB do microcircuito. A resistência do resistor R1 define a corrente dos LEDs. A dependência da corrente do LED na resistência do resistor R1 é mostrada na Tabela 4. Tabela 4. Dependência da corrente do LED em R1
Para proteger a fonte de alimentação de sobrecarga quando ligada, o microcircuito possui um circuito de partida suave integrado. O chip fornece escurecimento analógico e PWM, e há três maneiras diferentes de ajustar o brilho. Para ajuste analógico, o circuito mostrado na fig. 4.
Quando a tensão de controle muda de 2 para 0 V, a corrente do LED muda de 0 para 20 mA. Além do escurecimento analógico, dois métodos de escurecimento PWM podem ser usados. A essência do primeiro método é que um sinal PWM com frequência de até 1 kHz é aplicado diretamente na entrada EN (pino 4). A corrente e o brilho dos LEDs são inversamente proporcionais ao ciclo de trabalho dos pulsos PWM de controle, ou seja, são diretamente proporcionais à duração desses pulsos. No segundo método, um sinal PWM com frequência superior a 1 kHz é alimentado na entrada de feedback FB (pino 3) através de um filtro de isolamento (consulte a Fig. 5).
O microcircuito possui proteção contra sobrecarga quando a tensão de entrada diminui (Under Voltage Lockout) com limite de resposta de 2,25 V e histerese de 92 mV e proteção contra sobrecarga por exceder a tensão de saída, por exemplo, se um dos LEDs quebrar. Para fazer isso, a tensão de saída do conversor é aplicada à entrada do circuito de proteção OV (pino 5). Esta proteção é acionada quando a tensão de saída é de 28 V e desliga o inversor. Para tentar ligá-lo novamente, você deve desligar e depois ligar a fonte de alimentação do circuito. O microcircuito MP3205, ao contrário do MP3204, não possui proteção de tensão de saída e entrada OV. O microcircuito MP3205 é fabricado em um encapsulamento TSOT5-23 de 5 pinos. Alfinete. 5 do caso TSOT23-5 deste microcircuito, em termos de localização e finalidade, corresponde ao pino. 6 chips MP3204 no pacote TSOT23-6. Muito próximos em parâmetros e circuitos dos microcircuitos MP3204 e MP3205 estão os microcircuitos MP1518 e MP1523, que são projetados para controlar até 6 LEDs. O MP1518 está disponível nos pacotes TSOT23-6 e QFN-8. O chip MP1518 no pacote TSOT23-6 é completamente idêntico em pinos ao MP3204. O chip MP1523 é fabricado apenas no pacote TSOT23-6 e possui várias diferenças em relação ao MP1518. A pinagem do chip MP1523 é praticamente a mesma do MP3205, mas difere dela no pino. 5 (BIAS) O MP1523 pode ser conectado ao positivo da fonte de alimentação (2,7 ... 25 V) - quase como um pino. 5 (IN) do chip MP3205, ou à saída do circuito (ao cátodo D1). Neste último caso, o microcircuito MP1523 terá um circuito de proteção contra sobrecarga por ultrapassagem da tensão de saída com limite de 28 V. O resistor do sensor de corrente conectado em série com os LEDs deve ter uma resistência de 20 ohms para este microcircuito. O MP1523 não possui circuito de escurecimento de LED. Outro driver avançado para alimentar 9 LEDs é executado no chip MP1528 (pacote QFN6 de 3x3 mm ou MSOP8, no qual o chip é marcado como MP1528DK). As atribuições de pinos do MP1528 são mostradas na Tabela 5. Tabela 5. Finalidade dos pinos do microcircuito
O circuito de comutação típico do microcircuito MP1528 difere ligeiramente dos outros drivers discutidos acima (consulte a Fig. 6).
Para garantir o brilho máximo dos LEDs, deve-se aplicar na entrada do BRT uma tensão superior a 1,2 V. A corrente dos LEDs no brilho máximo é determinada pelo resistor R1, cuja resistência pode ser calculada pela fórmula: R1(kOhm) = vocêWATT//(3 euCONDUZIU(mA)) O escurecimento analógico é feito alterando a tensão CC no pino BRT de 0,27 V para 1,2 V. Para fornecer escurecimento PWM, um sinal PWM com frequência de 100 a 400 Hz é aplicado à entrada BRT, cujo nível baixo não deve exceder 0,18 V e o nível alto não deve ser inferior a 1,2 V. O microcircuito possui proteção contra superação da tensão de saída, com limite de resposta de 40 V, além de proteção contra redução da tensão de entrada (limite de operação 2,1 ... 2,65 V) e proteção de temperatura com limite de 160 ° C. Um dos drivers mais poderosos dos conversores DC-DC da MPS é o chip MP1529 (somente o MP1517 é mais poderoso que os CIs considerados). O chip MP1529 deve ser de particular interesse para os leitores, pois é usado em câmeras digitais, filmadoras e telefones celulares com câmera digital embutida. Ele pode conduzir três cadeias (linhas) de LEDs brancos ultrabrilhantes conectados em série. Duas dessas linhas (LED1 e LED2) de seis LEDs cada são usadas para iluminar indicadores de cristal líquido (LCD), e a terceira (LED3) de quatro LEDs é usada para flash e para iluminar objetos no escuro (modo de visualização). A tensão de alimentação do microcircuito MP1529 é de 2,7 ... 5,5 V e a tensão de saída é de 25 V. Possui proteção contra superação da tensão de saída com um limite de 28 V, bem como proteção contra subtensão da tensão de entrada com um limite de 2 ... 2,6 V e histerese 210 mV. O MP1529 também possui proteção contra temperatura (160°C) e vem em um pacote QFN16 de 4x4mm. A finalidade dos pinos do MP1529 é mostrada na tabela 6, e um circuito de comutação típico é mostrado na fig. 7. Tabela 6. Finalidade dos pinos do chip MP1529
As entradas de habilitação EN1 e EN2 são usadas para habilitar vários modos. Se ambas as entradas forem de baixo nível lógico L (0,3 V), todos os 16 LEDs serão apagados. Se a entrada EN2 for mantida baixa e EN1 for definido para um nível alto H (1,4 V), os LEDs de flash (LED3) permanecerão desligados e os 12 LEDs de luz de fundo (cadeias de LED1 e LED2) brilharão o mais intensamente possível. O brilho máximo e a corrente dos LEDs de luz de fundo são definidos pela resistência do resistor RS1 (conectado ao pino 9). Se, ao mesmo tempo, um sinal de controle PWM com frequência de 1 ... 1 kHz for aplicado à entrada EN50, então, dependendo do ciclo de trabalho desse sinal, o brilho da iluminação dos LEDs de luz de fundo mudará . Se a entrada de habilitação EN2 estiver configurada para um nível lógico baixo, uma cadeia de quatro LEDs (LED3) acenderá adicionalmente no modo de iluminação (pré-visualização). Nesse caso, a corrente dos LEDs do LED3 será determinada pela resistência do resistor RS2 (pino 10). Se um nível baixo for aplicado à entrada EN1 e um nível alto for aplicado à entrada EN2, os LEDs de luz de fundo LED1 e LED2 se apagarão e os LEDs LED3 acenderão o mais intensamente possível (modo flash). Neste modo, a corrente dos LEDs LED3 é definida pela resistência do resistor RS3 (pino 11). A resistência dos resistores RS1, RS2 e RS3 (em kΩ) é calculada pelas fórmulas: RS1 = (950 USET)/EULED_BL RS1 = (1100 USET)/EULED_PV RS1 = (1000 USET)/EULED_FL onde vocêSET - tensão de referência interna 1,216 V, ILED_BL - corrente (em mA) de um dos circuitos LED de retroiluminação LED1 ou LED2, ILED_PV - corrente (em mA) dos LEDs LED3 no modo de iluminação, ILED_FL- corrente (em mA) dos LEDs LED3 em modo flash. As informações sobre os modos de operação do chip MP1529, dependendo dos níveis lógicos nas entradas de habilitação EN1 e EN2, estão resumidas na Tabela 7. Tabela 7. Modos de operação do chip MP1529 em função dos sinais nas entradas EN1 e EN2
* L - nível baixo, H - nível alto Os capacitores C1 e C2 são os capacitores de armazenamento dos filtros na entrada e na saída do circuito, respectivamente, C3 é o capacitor de armazenamento do filtro de tensão de controle na entrada do estágio PWM (este PWM fornece estabilização da tensão de saída), C4 é o capacitor do circuito de partida suave (temporizador PWM). O chip MP1521 com tensão de alimentação de 2,7 V permite conectar até 9 LEDs superbrilhantes a ele e com tensão de alimentação de 5 V - até 15 LEDs superbrilhantes. A tensão máxima de alimentação do IC é de 25 V. O MP1521 está disponível nos pacotes MSOP10 (MP1521EK) e QFN16 (MP1521EQ). A finalidade dos pinos deste microcircuito é mostrada na tabela 8, e o circuito de comutação para alimentar 9 LEDs é mostrado na fig. 8. Tabela 8. Atribuição de pinos do chip MP1521 em pacotes MSOP10, QFN16 (3x3 mm)
Os resistores R1, R2 e R3 (Fig. 8) são sensores de corrente de LED. Com escurecimento analógico, a tensão é aplicada à entrada EN na faixa de 0,3 ... 1,2 V e com escurecimento PWM, um sinal PWM com frequência de 100 ... 400 Hz com um nível baixo de não mais que 0,18 V e um alto nível de não mais que 1,2, XNUMX V. Conversor Boost e conversor do tipo SEPIC no chip MP1517 O fabricante recomenda o uso do chip MP1517 não apenas como um conversor DC/DC boost, mas também como um conversor SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter). A tensão de alimentação deste microcircuito está na faixa de 2,6 ... 25 V. É fabricado em um pacote QFN16 de tamanho 4x4 mm. A atribuição de pinos do chip MP1517 é mostrada na tabela 9, e um circuito de comutação típico é mostrado na fig. 9. Tabela 9. Finalidade dos pinos do chip MP1517
Este circuito difere dos anteriores (ver Fig. 6 ou 8) apenas porque o sensor de corrente de um dos três LEDs em série é usado para estabilizar a corrente do LED. Portanto, vamos nos deter com mais detalhes apenas na descrição do circuito do conversor DC / DC do tipo SEPIC no MP1517 (ver Fig. 10).
Uma característica do conversor SEPIC é que a tensão em sua saída pode ser maior ou menor que a entrada, o que é garantido pela presença de um capacitor de acoplamento C8 (ver [3, 4]). O esquema na fig. 10 produz uma tensão de 3,3 V na saída quando a tensão de entrada muda de 3 para 4,2 V. Qualquer conversor do tipo SEPIC é montado com base em um conversor de impulso de comutação, que é fácil de ver no diagrama abaixo. Além disso, este conversor boost (em L1, D2) é usado para alimentar o próprio microcircuito. Vamos ver como o conversor MP1517 SEPIC funciona em regime permanente. Como resultado do trabalho anterior, no momento em que a chave interna do MS no transistor de efeito de campo for desbloqueada, o capacitor C8 será carregado ("+" - à esquerda na Fig. 10, "-" - na o certo). Ao abrir esta chave, C8 será descarregado através do indutor L2, no qual se acumulará a energia do campo magnético variável. Além disso, o indutor L1 também acumulará energia magnética, através da qual uma corrente crescente fluirá da fonte de alimentação através da mesma chave interna do microcircuito. Quando a chave é travada no indutor L1, aparece um EMF ("+" - à direita, "-" - à esquerda), que soma a tensão da fonte de alimentação e carrega C8 ("+" - na à esquerda, "-" - à direita) através de D1 e capacitor C2. Além disso, um EMF aparece em L2 ("+" - na parte superior, "-" - na parte inferior), carregando C2 a D1. No próximo desbloqueio da chave interna do microcircuito, o processo será repetido. O valor da tensão na saída do conversor (em C2) depende principalmente do ciclo de trabalho dos pulsos de controle da chave e da corrente de carga. R1 R2 - divisor de tensão de feedback, que fornece estabilização da tensão de saída, C6 - capacitor de filtro de tensão de erro. C5 é o resistor de desacoplamento e C4 é o capacitor de partida suave. Literatura
Autor: I. Bezverkhny
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