Драйвери за светодиоди

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2009

Драйвери за светодиоди

Стефан Куцаров

    Класическите приложения на светодиодите (LED) за различни видове индикации вече не са единствените. Многобройните им предимства пред лампите с нажежаема нишка, сред които десетки пъти по-дългия експлоатационен срок, няколко пъти по-големият к.п.д. и осигуряването на различни цветове, им позволиха да навлязат в осветителната техника. Освен в автомобилостроенето, днес LED навлизат масово в индустриалното и битово осветление.
Осигуряването на желани стойности на техния ток и евентуалното им регулиране изискват подходящи драйверни интегрални схеми (LED Driver), на съвременното състояние на които е посветена настоящата статия.
Резисторни схеми
Класическият начин за захранване на LED чрез свързването им към постоянно напрежение през резистор има своите приложения заради простотата си. За получаването на достатъчно интензивна светлина трябват повече диоди, като най-често използвана е матричната схема, дадена на фиг. 1а, без да има принципни ограничения за броя на колоните и на LED в тях. Едно от предимствата й е, че при прекъсване на LED поради повреда, останалите продължават да работят. При необходимост от регулиране на интензитета на светлината се използват ШИМ импулси (PWM), генерирани от микроконтролер mC (фиг. 1б), които чрез мощен ключ между точки а и b променят тока на всички LED едновременно. За осигуряване на неизменен ток през LED чрез диференциален мултиплексор (DMPX) се следят напреженията върху резисторите и последователно във времето се подават на диференциален усилвател (DA). Неговото изходно напрежение постъпва на входа на вградения в микроконтролера АЦП, който променя коефициента на запълване на импулсите за компенсиране на нежеланите изменения на тока на LED. За да няма мигане, честотата на импулсите трябва да е поне 100Hz като за горната й граница няма принципни ограничения и тя може да достигне няколко десетки kHz.

Аналогови драйвери за захранване с напрежение
Те се използват за свързване на LED към постоянно напрежение VOUT през резистор в съответствие с обобщената блокова схема на фиг. 2а. Ключовете S0 – Sn-1 са биполярни или MOS (по-често) транзистори, като броят им n е между 4 и 16. По показания начин към всеки от изводите OUTi могат да се включат и няколко последователно свързани LED (LED Stack). Цифровата схема DC е за управление на положението на ключовете и входовете й са с някое от стандартните логически нива. По принцип тя може да захранва ключовете с PWM импулси с коефициент на запълване d, при което токът ILED=(VOUT-VLED)d/R на LED може да се регулира в широки граници чрез d. В този израз VLED е напрежението върху LED.
В табл. 1 са дадени основните параметри на аналогови драйвери от този тип. Особеност на A6821SA е, че входът му е сериен и че DC съдържа преместващ и запомнящ регистър за запис на въведеното число, а Si са реализирани с биполярни транзистори. Входът EN за разрешение на работата на DC се използва за получаване на PWM (числото в запомнящия регистър се подава или не на Si). С подобна структура е R8A66160, но блокът й DC има сериен изход за подаване на числото от преместващия регистър към други цифрови схеми. Драйверът РСА9633 на NXP е предвиден за създаване на цветни излъчватели чрез комбиниране на трите основни цвята с кехлибарен (RGBA) и се управлява чрез интерфейса I2C. Чрез PWM се задават 256 независими една от друга стойности на тока на всеки LED, т.е. 2564 цвята, като същевременно чрез PWM от друг блок се регулира яркостта. По различен е драйверът AD8240 на Analog Devices, който осигурява базовия ток на външен транзистор за захранване на LED. Интензитетът на светлината се регулира чрез PWM импулси на специален вход. Токът на LED се преобразува в напрежение чрез външен резистор и вграден в драйвера усилвател. Така стойността му се следи и може лесно да се осигури сигнализация при прекъснат LED (няма напрежение), което е важно за много приложения.
Вместо със специализиран драйвер същото действие може да бъде осигурено като DC на фиг. 2а се реализира с mC, а Si са външни транзистори. Така всеки от изходите на mC с PWM регулира интензитета на светлината на свързания към него LED. Една практическа схема с PIC12HV615 на Microchip е дадена на фиг. 2б.
Принципен недостатък на захранването с напрежение е, че при негова промяна се изменя интензитетът на излъчваната светлина. Дори при фиксирано напрежение LED могат да имат различен интензитет поради техни производствени толеранси и тези на резисторите.

Аналогови драйвери за захранване с ток
Аналоговите драйвери за захранване с ток (Constant Current LED Driver) са значително по-разпространени от предните и принципът им на действие е, че вместо през резистор LED се свързват към захранващото напрежение през генератор на ток, който е част от драйвера. Няколко са начините за реализация на генератора, като най-простият от тях е даден на фиг. 3а заедно с типично свързване на LED. Токът IOUT на LED e фиксиран чрез резистора R поради практически неизменното напрежение върху диодите. Той може да бъде увеличен чрез свързване на външен резистор между изводи VS и Е. За регулиране на тока може да се използва схемата на фиг. 3б (или подобна), която накъсва тока на LED и осигурява негова средна стойност IOUTxd. По този начин е реализиран драйверът BCR402U (табл. 2). При драйвера BCR450 благодарение на вграден операционен усилвател осигурява по-стабилен ток, чиято стойност се задава чрез външен резистор.
Много по-голяма част от драйверите се реализират по обобщената блокова схема на фиг. 4а, в която чрез генераторите на ток CGi на всеки от изходите се установява неизменен ток IOUTi със стойност, задавана чрез блока CR и външния резистор RSET. В каталозите винаги се дава формула за съпротивлението му в зависимост от желания IOUTi. Действието на DC и Si е както в схемата на фиг. 2а, като и тук чрез задействане на ключовете с PWM импулси може да се задава стойността IOUTixd на тока на съответния LED. С прекъсната линия е блокът Temp, който се съдържа само в част от драйверите и измерва температурата на кристала. Когато тя надхвърли определена стойност (обикновено 100-110°С) блокът изключва LED. Поради производствените толеранси между токовете на изходите има разлики, чиято максимална стойност е параметър в границите от ±1 до ±7%. Разновидност на схемата е липса на ключовете Si и регулиране на тока на CGi чрез напрежение от ЦАП, на чийто вход от DC постъпва съответното двоично число (фиг. 4б).
Основните параметри на няколко драйвера от този тип са дадени в табл. 2. С един изход, към който могат да се свържат последователно до 3 LED, е А6260, чийто ток се регулира чрез PWM импулси. С по-големи възможности за регулиране е А6281, като максималният ток на неговите 3 LED може да има 128 стойности, записвани в регистър на блока DC. В други регистри чрез 10-разредни числа се записва желаният интензитет на светлината на LED. Драйверът МАХ16823 е с 3 изхода, всеки от които свързан в съответствие с фиг. 4в, т.е. токът на всеки LED се задава с отделен резистор. Същевременно напрежението на всеки от резисторите се подава на специален вход с цел контролиране на изправността на LED – при прекъсване на някой от тях на изход на драйвера се получава съответното логическо ниво. Регулиране на тока чрез серийните интерфейси SPI, QSPI и MICROWIRE е възможно в драйвера МАХ6966, като токът на всеки от 10-те LED може да се регулира с 256 стъпки. Трите канала на драйвера MBI6030 на Macroblock освен за захранване на червени, зелени и сини LED и съответно осигуряване на цветен сегмент могат да се използват и за самостоятелно захранване на отделни LED с 16-разредно регулиране на интензитета на светлината им. С възможност за регистриране на прекъснат LED и късо съединение към маса на някой от изходите е РСА9922, което се установява чрез получаване на съответното двоично число на последователния изход за данни на драйвера. Едновременно регулиране на тока на двата LED на FAN5614 се осъществява чрез PWM импулси или с постоянно напрежение UC. Специфично предимство на драйвера BD1754HFN на Rohm е възможността за едновременно управляване на тока на 4-те LED с 64 стъпки само чрез един цифров вход UPIN. Токът на 8-те изхода на SC620, реализирана в съответствие с фиг. 4б може да се регулира едновременно и в много широки граници чрез интерфейса I2C, като стъпката на изменение може да се задава между 31,25 и 500 mA. Също за устройства с батерийно захранване и малки размери е драйверът TPS7510х със структурата на фиг. 4б. Чрез PWM импулси се регулира токът на всеки от изходите, а за получаването на желани негови стойности се прави запис във вградената EEPROM. В драйвера TLC59116 чрез I2C интерфейс се задава една от 16-те възможни стойности на тока на всеки от 16-те LED. Драйверът ZD3313 на Zywyn позволява едновременно регулиране на токовете на 4-те LED чрез PWM импулси и постоянно напрежение при разлика между тях до 1,5%. За непосредствено свързване към електрическата мрежа е ZD832 с типична схема на свързване на фиг. 5, като регулирането на тока на LED се извършва чрез PWM импулси на вход PWM. Отново в съответствие с фиг. 4б е реализиран драйверът SP7121, в който токът на двата LED се регулира едновременно чрез PWM импулси. Подобен, но за 3 LED и ток до 40 mA е SP7612. И накрая е TLE4242G за един или няколко последователно свързани мощни LED, свързани по схемата на фиг. 4в. Техният ток се регулира чрез PWM импулси с амплитуда до 40 V.
Основните предимства на аналоговите драйвери за захранване с ток са възможностите за прецизно подържане на тока и неговото регулиране и за компенсиране на промените му поради промяна на температурата, както и липсата на създавани смущения. Сред най-важните им недостатъци е сравнително голямата разсейвана мощност.

Ключови понижаващи драйвери
Наименованието на ключовите понижаващи драйвери (Buck LED Driver, Step-Down LED Driver) следва от факта, че напрежението върху LED е по-малко от захранващото напрежение на драйвера. Същевременно те задължително осигуряват стабилен и регулируем ток на LED.
Два са основните начини за реализация на този тип драйвери. Първият е непосредствено използване на класически ключов понижаващ стабилизатор с LED като товар. Пример е МАХ5035 на MAXIM, който работи с входно напрежение 7,5 – 76 V и осигурява ток през товара до 1,5 А. Схемата на свързването му като LED драйвер е дадена на фиг. 5. Токът IOUT на LED, свързани между изводи LEDA и LEDК, създава напрежение върху резисторите R2 – R4, част от което през R1-R5 постъпва на входа за обратна връзка FB. Така всяка промяна на IOUT изменя d на генерираните в ИС PWM импулси и стойността му се възстановява. Големината на тока се задава чрез съпротивленията на трите резистора и може да се регулира чрез положителното постоянно напрежение между извод Control и маса, като при нулево напрежение IOUT е най-голям. По подобен начин се използва LM3406 на National Semiconductor, но тя е с входно напрежение 6 – 42 V, осигурява ток до 2 А с регулируема стойност чрез PWM импулси, подавани на специален вход. Драйверът SP7600 на Еxar е с напрежение 4,5–29 V и същите ток и регулиране, както предната ИС. Аналогично, но с минимален брой външни елементи, е реализирана серия от 5 драйвера RCD-24 на Recom. Те имат VOUT от 2 до 32 V и осигуряват IOUT между 300 и 700 mA, който може да се регулира чрез постоянно напрежение и PWM импулси.
Вторият начин за реализация използва специализирани ИС на драйвери с обобщена схема на свързване на фиг. 6. Вграденият в ИС генератор на PWM импулси чрез положителен импулс отпушва транзистора Т и през LED, бобината и RSET протича ток IOUT, който нараства с времето и натрупва магнитна енергия в нея. При достигане на неговата максимална стойност VR/RSET (VR е напрежение в ИС) веригата му в ИС се прекъсва, но енергията в бобината продължава да осигурява ток на LED през диода D. Така най-голямата средна стойност на IOUT се задава чрез RSET. Разрешаващият вход EN може да се използва и за намаляване на тока под тази стойност чрез външни PWM, чиято честота трябва да е поне десетина пъти по-малка от тази на генератора. Даденият с пунктир кондензатор може да се постави за намаляване на създаваните от схемата смущения. Съществена особеност е, че параметрите на бобината трябва да се подбират в зависимост от броя и вида на LED, като индуктивността е между десетина и няколко стотици mH, а омичното съпротивление – под 1 W. В съответствие с този принцип работят драйверите в табл. 3, като първите два са с вграден транзистор, а всички са с един изход. Токът на MLX10801 може да се променя чрез PWM импулси. Особеност на ZXLD1320 на Zetex е възможността за свързване към специален извод на термистор за измерване на температурата на LED, който го изключва при превишаване на определена стойност. Без тази възможност е ZXLD1352, но той работи с VS между 7 и 30 V, осигурява IOUT до 350 mA и има к.п.д. до 95 %. Особеност на ZD850 е вграденият токоизправител, който позволява работата й с променливо VS, подавано на специален вход. В редове 4 – 6 на табл. 3 са драйвери за работа с външен MOS транзистор, в които като изходен ток е този на гейта на транзистора.
Схемата на фиг. 6 може да бъде реализирана и с помощта на универсален микроконтролер и MOS транзистор. Един пример с използване на PIC12HV615 на Microchip е даден на фиг. 7.

Ключови повишаващи драйвери
По принцип VOUT на ключовите повишаващи драйвери (Boost LED Driver, Step-Up LED Driver) е по-голямо от захранващото им напрежение, което определя основото им приложение в устройства с батерийно захранване. Принципът на действие е подобен на ключовите повишаващи стабилизатори на напрежение, но драйверите осигуряват неизменен ток. Обобщената им блокова схема е на фиг. 8. Генераторът на импулси OSC осигурява непрекъснато отваряне и затваряне на ключа (обикновено MOS и рядко биполярен транзистор) SW. При затворен ключ през него и бобината L протича ток, който натрупва в нея магнитна енергия. При отварянето му върху бобината се получава голямо напрежение, което се събира със захранващото, т.е. през диода (обикновено Шотки) на LED се подава голямо напрежение. Неизменен ток IOUT се осигурява от генератора CG, като стойността му се задава от резистора RSET. Почти всички драйвери могат чрез регулиране да намаляват тази стойност, като в зависимост от схемата им това се прави с външно постоянно напрежение, PWM импулси или по цифров път, но не са рядкост драйверите с две от тези възможности.
Освен показаната структура на драйвера съществуват разновидности с външни SW и D или само външен SW. За независимо захранване на няколко LED се използва съответното количество CG. Често тези драйвери са с конкретно предназначение – за обикновени LED (означавани като Indicator), за фенерчета (Torch LED Driver) или за светкавици (Flash LED Driver), като вторите са с 3-15 пъти по-голям ток от първите, а третите – с до 50 пъти по-голям импулсен ток. Не са рядкост драйвери с възможност за задаване на тези режими по програмен път. Многобройни са и драйверите за бели LED за подсветка осветление (Backligth LED Driver).
В табл. 4 са дадени основните параметри на драйвери с вграден ключ. Токовете IOUT за трите режима на работа на ADP1653 на Analog Devices са неизменни и фиксирани поотделно чрез резистори, докато тези на FAN5608 се задават по цифров път. Също с цифрово управление (128 стъпки) на IOUT чрез интерфейса I2C е LM3553, като освен това той има 16 стойности на времетраенето на светкавицата. Същият интерфейс се използва и за NCP5890 с 31 стъпки и за 34844 с 216 стъпки. Специфични за LT3591 са размерите на корпуса (3x2x0,75 mm), а управлението е чрез UC и PWM импулси. Драйверът BD6066EKN е с общо управление на четирите тока чрез PWM импулси. Особеност на HV9903 е, че захранващото му напрежение (2,6-4,6 V) е различно от VS, а управлението е чрез UС и PWM импулси. Също с такива импулси се управляват едновременно 6-те изхода на TPS61180, а обхватът на регулиране на IOUT (отношение на макс. към мин. стойност) е 100:1. Свързаните LED към всеки от 6-те изхода на ZD1680 могат да се включват и изключват също самостоятелно, но регулирането на тока е едновременно с UC или PWM импулси. Специфична за ISL97632 е много малката разлика (типично ±1%) между токовете на 8-те му изхода, а регулирането им е общо чрез PWM импулси. За мощни LED е предвиден драйверът МР1517 на MPS а стойността на изходното му напрежение се задава чрез два външни резистора.
Драйверите с външен SW понякога се наричат контролери и имат предимството на големи стойности на IOUT. Например LM3431 на National Semiconductor е с 3 изхода и съответно 3 транзистора, като работи с VS между 5 и 36 V и има обхват на регулиране на токовете им до 1000:1 чрез UC и по цифров път. Друг пример е ZXCS300 на Zetex с един изход и биполярен транзистор, като работата е осигурена при VS между 0,8 и 8 V, а к.п.д. е 94%.

Ключови комбинирани драйвери
Чрез подходящо външно свързване на елементи те могат да реализират понижаващи, повишаващи и понижаващо-повишаващи (Buck-Boost LED Driver) драйвери, като в последните се включват и SEPIC с галванично разделяне чрез кондензатор на изхода от входа. Схемите им са аналогични на тези на съответните ключови стабилизатори, но имат вградени генератори на ток. Съществена особеност е използването в голяма част от схемите на външни мощни транзистори, каквито са и драйверите в табл. 5. Задаването на IOUT и на неговата максимална стойност при наличие на регулиране се осъществява чрез резистор във веригата на външния транзистор. Работата като понижаващ или повишаващ драйвер на ISL97801 се определя чрез свързване на специален извод към захранващото напрежение или маса, а регулирането на IOUT става чрез PWM импулси. По същия начин, но чрез външни PMOS транзистори се осигурява независимо регулиране на IOUT в 3-те изхода на LT3496, като обхватът е 3000:1. Характерно за МАХ16801 е захранването с постоянно напрежение, получено чрез непосредствено изправяне на мрежовото напрежение. Регулирането на IOUT се извършва чрез UC или PWM импулси. C още по-широк обхват на регулиране (5000:1) е МАХ16807, в който чрез сериен интерфейс се задава поотделно токът на всеки от 8-те изхода. С драйвера LM3421 може да се реализира и класическа схема на ключов стабилизатор с галванично разделяне (Flyback), в която LED е товар, а регулирането на тока се извършва чрез PWM импулси. В НV9912 са вградени защити срещу късо съединение на изхода и прекъсване на LED, а регулирането на IOUT отново се извършва чрез PWM импулси.
Сред типичните драйвери с вграден MOS транзистор и един изход е TPS63000 на Texas Instruments, предназначен за понижаваща (максимален IOUT = 1,2 A) и повишаваща (800 mA) схема на свързване. Напрежението VS може да е между 1,8 и 5,5 V, при което на изхода се получава до 5,5 V. Характерен е големият к.п.д. (до 96%). Друг пример е ZXLD1322 на Zetex, който работи с VS между 2,5 и 15 V и осигурява на единствения си изход ток до 700 mA, чиято стойност може да се регулира чрез UC и PWM импулси. С него се реализират понижаваща и повишаваща схема.

Драйвери с натрупване на заряд
Предимството на драйверите с натрупване на заряд (Charge Pump LED Driver) спрямо аналоговите е значително по-големият к.п.д., а спрямо ключовите - липсата на бобини. Два са съществените недостатъци - ограничения в получаването на твърде големи IOUT и значителните пулсации в него, които са източник на смущения.
За захранване на LED от постоянно напрежение през резистор непосредствено могат да се използват стабилизатори на напрежение с натрупване на заряд. За захранване с неизменен ток има специализирани драйвери с обобщена блокова схема на фиг. 9. В нея блокът за натрупване на заряд СР заедно с кондензаторите С1 и С2 работи както при стабилизаторите на напрежение от този тип с една важна особеност – той е с 3 коефициента на предаване k (от израза VOUT = kVS), равни на 1, 1.5 и 2, автоматично се превключвани от блока DC в зависимост от VS (k нараства с намаляване на VS), с което се осигуряват максимално големи стойности на к.п.д. Блокът СР в част от драйверите работи само с един кондензатор. Подобно на предните видове драйвери токовете IOUT се задават от генераторите на ток CGi и стабилизатора на ток CR. Максималната стойност на IOUT се фиксира чрез резистора RSET, а задаването на желана стойност се извършва от блока DC, който може да има един или повече от вече разгледаните входове. Чрез кондензатора CF се намаляват пулсациите на токовете IOUT и съответно смущенията. Особеност на тези драйвери, следваща от структурата им, са малките размери на самата ИС и малката площ, заемана от драйвера върху печатната платка.
В табл. 6 са дадени основните параметри на характерни драйвери от този тип. Захранваните LED от драйвера ADM8845 са разделени в две групи от 2 и 4 диода, които могат да се включват и изключват самостоятелно и стойността на техните IOUT да се променя чрез PWM импулси. Промяна на токовете на всички LED едновременно се постига чрез постоянно напрежение UC. С прецизно регулиране (256 стойности на максималния IOUT и 212 стойности на неговата промяна чрез PWM импулси) чрез интерфейса I2C се характеризира LP8501. Неговите 9 изхода могат да захранват 3 групи LED (всяка с червен, зелен и син) за реализиране на точки с независима промяна на цвета и интензитета на светлината. Същият интерфейс управлява поотделно трите IOUT на NCP5623А. Шестте IOUT на BD6095GU се управляват чрез интерфейса SPI, като се осигурява стъпка на изменението им 0,2 mA. Същият интерфейс е използван и за регулиране поотделно на токовете в SC606. Максималният ток на 6 от изходите на TPS60250 е даден в табл. 6 и може да се намалява (64 стойности) чрез интерфейса I2C, а токът на 7-я изход е до 80 mA и може да има 4 стойности. В ZD3215 чрез 2-разредно число се избират режимите на работа “фенерче” (ток 300 mA), “светкавица” (ток 800 mA), “червени очи” (ток 600 mA) и “изключено” без да има регулиране. Драйверът SP6687 позволява независимо регулиране на IOUT на четирите LED чрез PWM импулси. И накрая четирите IOUT на МР1519 се регулират едновременно чрез UC и PWM импулси.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top