Сафронов Алексей
Внастоящее время светодиоды используются не только для обеспечения красивыхиндикаторов красного и зеленого цвета на электронном оборудовании. Достижениятехнологии позволили использовать светодиоды в качестве практичных источниковосвещения. Основные преимущества светодиодов — длительный срок службы, прочностьи эффективность.
Приправильном управлении светодиоды могут работать десятки тысяч часов безснижения светоотдачи. Типичная эффективность мощных светодиодов, измеренная влюменах на ватт, составляет 40-80. Это в несколько раз лучше, чем у лампнакаливания, и только люминесцентные лампы более эффективны. Так как светодиодыявляются твердотельными устройствами, они могут противостоять ударам ивибрациям, которые повредили бы лампу накаливания.
Применение светодиодов
Преимуществасветодиодов полезны во многих типах освещения:
Освещениеавтомобильных и самолетных кабин;
Освещениеприборных досок автомобиля и самолета;
Освещениезапасного выхода здания;
Цвето-световоеоформление зданий;
Промышленноеи наружное освещение;
Дорожныеи железнодорожные знаки;
Автомобильныестоп-сигналы
Светодиодныематрицы и видеомониторы;
ПодсветкаЖК-монитора;
Фонарики;
Освещениемедицинского инструмента и приборов;
Вспышкицифровых камер и видео свет;
Эффективное управление светодиодами
Светодиодыдолжны управляться источником постоянного тока. Светодиоды имеют определенныйуровень тока, при котором достигается максимальная яркость, не вызывая еговыход из строя. Светодиод может управляться линейным регулятором напряжения, сконфигурированнымкак источник постоянного тока. Однако, данный подход не практичен для мощныхсветодиодов из-за высокой рассеиваемой мощности в цепи регулятора. Импульсныйисточник питания (SMPS) обеспечивает намного более эффективное управлениесветодиодами. Параметры напряжения источника питания и прямого напряжениясветодиода определяют SMPS топологию. Несколько светодиодов могут бытьобъединены в группы для увеличения падения прямого напряжения на выбранномуровне управляющего тока.
ТопологияSMPS схем, адаптированная для регулирования тока в светодиодном освещении та жесамая, что и используемая для регулирования напряжения в источниках питания.Каждый тип SMPS топологии имеет свои преимущества и недостатки, какпредставлено в таблице ниже.
Таблица1. SMPS топологии, которые могут быть полезны для светодиодного освещенияТопология регулятора
Отношение
Vвх к Vвых Сложность Число компонентов Комментарии На переключаемых конденсаторах (-Vвых — ограниченный диапазон Iвых
— без дросселей Понижающий (Vвх > Vвых) Средняя Среднее
— верхний драйвер
— импульсный Iвх Повышающий (Vвх — плавный Iвх
— несколько выходов
— два дросселя Смешанный (Vвых — один дроссель
— до четырех переключателей Обратноходовый Зависит от трансформатора Средняя Среднее
— трансформатор для гальванической развязки
— возможность нескольких выходов
Даннаястатья описывает два типа драйверов для управления светодиодами:
микросхемааналогового драйвера, которая может быть использована как независимо, так ивместе с микроконтроллером;
микроконтроллерс интегрированной функцией управления светодиодами;
Источниктока на переключаемых конденсаторах
Такаясхема не имеет катушек индуктивности, которые требуются в других SMPSтопологиях. Это обеспечивает более компактные и менее дорогостоящие схемы.Обратная сторона в том, что такой источник не может обеспечить большой ток, посравнению с другими топологиями. Схемы на переключаемых конденсаторах наиболеевостребованы в подсветке, ЖК-дисплеях и автомобильных приборах.
Демонстрационнаяплата MCP1252DM-BKLT
Платадемонстрирует использование драйвера переключаемых конденсаторов в светодиодномприменении и работает как платформа для оценки MCP1252 (См. рис.1).
/>
Рис.1. Светодиодный драйвер на переключаемых конденсаторах на MCP1252
Повышающийпреобразователь на индуктивных элементах
Топологияповышающего преобразователя используется, когда выходное напряжение конверторадолжно быть равно или больше чем входное напряжение. Повышающий преобразовательиспользуется для управления несколькими светодиодами, соединенных в группы, чтоявляется его преимуществом. Это гарантирует, что все светодиоды получатодинаковый ток, и соответственно ту же яркость свечения. Использованиесдвоенного дросселя в повышающей схеме уменьшает требования к переключающемунапряжению MOSFET ключа. Синхронный повышающий преобразователь MCP1640 можетобеспечить стабильное рабочее напряжение для светодиода при питании отодноячеечной щелочной батареи. Схема подключения синхронного повышающегопреобразователя на MCP1640 представлена на рис.2.
/>
Рис.2. Синхронный повышающий преобразователь на MCP1640
Повышающийпереключатель на MCP1650 использует внешнее переключение таким образом, что онможет быть использован для любого типа нагрузки. Дополнительное преимуществоMCP1650 в батарейных применениях — это Gated Oscillator Architecture, котораяобеспечивает два рабочих цикла, что уменьшает пиковой ток индуктора и пульсациивыходного напряжения. Входное напряжение выше 3, 8В занимает 56% рабочего циклаи 80% когда входное напряжение падает ниже 3, 8В. Это увеличивает срок службыбатареи.
Демонстрационнаяплата с девятью белыми светодиодами MCP1650DM-LED2
Демонстрационнаяплата с девятью белыми светодиодами использует микросхему MCP1650 для питаниясветодиодов, которые соединены в группы. Микроконтроллер PIC10F202 вшестивыводном корпусе SOT-23 используется для регулирования светимости путемподачи ШИМ на вход разрешения работы. На рис.3 представлен пример использованияMCP1650 для драйвера светодиодов работающего от батареи.
/>
Рис.3. Пример использования MCP1650 для драйвера светодиодов работающего от батареи
Управлениесветодиодами с использованием SEPIC преобразователя
ТопологияSEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter) использует дополнительный(чаще всего, сдвоенный) дроссель и обеспечивает следующие преимущества дляприложений с питанием от батареи:
Конвертерможет работать как в повышающем, так и в понижающем режиме;
Топологиясхемы обеспечивает защиту от короткого замыкания, за счет примененияразвязывающего конденсатора;
Демонстрационнаяплата с 3-х ваттными светодиодами MCP1650DM-LED1
Платадемонстрирует применение семейства повышающих MCP165X контроллеров для работы сбелыми светодиодами с входным напряжением в диапазоне 2.0В до 4.5В. Примерсхемы драйвера 3-х ваттных светодиодов с питанием от батареи 3, 6В (SEPICпреобразователь) представлен на рис.4.
/>
Рис.4. Схема с питанием от батареи драйвера 3, 6В 3-х ваттных светодиодов (SEPICпреобразователь)
Генерирование ШИМ сигналов управления
Существуетмножество путей генерирования управляющих ШИМ сигналов для схем управленияпитанием:
Модульзахвата-сравнения-ШИМ (ССР) может генерировать ШИМ. Длительность импульсасигнала контролируется таймером микроконтроллера и регистром скважности
УсовершенствованныйCCP (ECCP) модуль позволяет одному ШИМ сигналу контролировать 2 или 4 выходныхвывода для управления половиной моста или мостом соответственно
Контроллеры,которые имеют компаратор и ECCP могут использовать сигнал компаратора дляуправления временем отключения ШИМ сигнала.
Микроконтроллерыс компараторами и SR-триггером могут использовать сигналы компаратора и/илиимпульсы таймера для включения и выключения выхода триггера
Периферийнаямикросхема внешней ШИМ также может быть использована. Данная опция используется,когда требуются несколько высокоскоростных ШИМ каналов
ШИМсигналы могут быть сгенерированы программно. Данная опция более дешевая ииспользуется когда требования к частоте ШИМ и разрешению скважности не оченьвысокие.
МикроконтроллерыPIC с интегрированным компаратором, такие как PIC12F609 могут быть использованыдля разработки простого драйвера светодиодов. В PIC12HV609 добавляетсявнутренний регулятор, позволяющий работать от постоянного напряжения более 5В.
Схемаповышающего драйвера на компараторе представлена на рис.5.
/>
Рис.5. Схема повышающего драйвера на компараторе
Примериспользования PIC12HV615 в светодиодной RGB схеме представлен на рис.6.
/>
Рис.6. Пример использования PIC12HV615 в светодиодной RGB схеме
Микроконтроллерыс расширенной аналоговой периферией
Некоторыеконтроллеры, такие как PIC16F616 имеют SR-триггер, который может использоватьсясовместно с компараторами и другими цифровыми сигналами. Цифровые сигналы, такиекак импульсы таймера или сигналы компаратора могут быть запрограммированы дляустановки или сброса SR-триггера. Эти программные опции позволяют сгенерироватьпрактически любой тип управляющего сигнала. PIC16F785 имеет два интегрированныйоперационных усилителя, два интегрированных компаратора, два SR-триггера инастраиваемый источник опорного напряжения. Эта комбинация периферийныхустройств может быть сконфигурирована для выполнения большого числа схемныхSMPS топологий. Схема обратноходового конвертера на PIC16HV785 с корректоромкоэффициента мощности и управлением яркости представлена на рис.7.
/>
Рис.7. Схема обратноходового конвертера на PIC16HV785 с корректором коэффициентамощности и управлением яркости
ВысокоскоростныеШИМ контроллеры MCP1630 и MCP1631
MCP1630и MCP1631 — контроллеры ШИМ, применяемые для драйверов мощных светодиодов.MCP1630 — 8-выводная микросхема, которая содержит компоненты, необходимые дляаналогового генерирования ШИМ, включая усилитель сигнала ошибки, компаратор ивывод выходного тока для управления мощным транзистором. MCP1630 разработан дляиспользования с микроконтроллером, который обеспечивает тактирование.Микроконтроллер задает частоту ШИМ и максимальный рабочий цикл. Максимальнаячастота — 1 МГц. Микроконтроллер может также управлять опорным входом дляусилителя сигнала ошибки, в том случае, когда требуются функция управленияяркостью и плавный старт. Несколько MCP1630 устройств могут быть подключены к микроконтроллерудля поддержки нескольких каналов питания. Когда несколько MCP1630 устройствзадействованы, фазовая компенсация может быть применена к каждому входу таймерадля устранения пульсаций тока шины. MCP1631 — это 20-выводная микросхема, котораяв дополнение к функциональности MCP1630 имеет внутренний 5В и 3, 3В регулятор, управлениевыключением, защиту от перенапряжения, отключение осциллятора и усилители скоэффициентом умножения 10. Схема повышающего светодиодного драйвера на MCP1630представлена на рис.8.
/>
Рис.8. Схема повышающего светодиодного драйвера на MCP1630
Демонстрационнаяплата повышающего светодиодного драйвера MCP1630DM-LED2
Этодемонстрационная плата является расширенным DC-DC преобразователем, используемымдля применений с мощными светодиодами. Плата имеет источник постоянного тока350 мА или 700 мА (выбор осуществляется с помощью перемычки). Диапазон входногорабочего напряжения 9-16 В. Плата может поддерживать группы мощных светодиодов,мощностью до 30 Вт.
Примердизайна программируемого источника постоянного тока с цифровым управлениемMCP631RD-DCPC1
ЭтоSEPIC DC-DC конвертор для применения с мощными светодиодами и заряда батареи.Диапазон входных напряжений 3.5-16В, а максимальная выходная мощность 8, 5 Вт.
Цифровое управление против аналогового управления
Светодиодымогут управляться полностью цифровой системой. Вместо измерения тока светодиодас помощью цепи операционного усилителя или компаратора, ток светодиодаопределяется АЦП. Обычно используется ПИД закон регулирования. Цифровая ШИМпериферия используется для управления светодиодами. Цифровой алгоритм вычисляетвыходные параметры, базируясь на входных и обеспечивая рабочий цикл для ШИМпериферии. Сравнение функций аналогового и цифрового управления представлено нарис.9.
/>
Рис.9. Сравнение функций аналогового и цифрового управления
Дешевоецифровое управление
Некоторыеприменения источников питания требуют быстрого динамического отклика длякомпенсации изменения нагрузки. В этих применениях требуется быстрый АЦП ивысокая производительность. Однако, светодиод обеспечивает стабильную нагрузкудля источников постоянного тока. Вследствие этого, быстрый АЦП и быстраяобработка не всегда требуются для корректной работы цифровой системырегулирования в применениях с драйверами светодиодов. Недорогиемикроконтроллеры семейств PIC12F или PIC16F с ССР периферией и АЦП могут бытьиспользованы для управления светодиодами. ССР периферия используется в режимеШИМ для управления схемой источника питания. Тактируемая от внутреннего 8 МГцгенератора, ССР может обеспечить ШИМ частотой выше 100 КГц для минимизацииразмеров силовых компонентов. В виду того, что светодиод обеспечиваетпостоянную нагрузку, достаточно измерять выходной ток и настраивать скважностьШИМ с меньшим разрешением. Выборка 1000Гц является идеальной для многихприменений. Схема повышающего светодиодного драйвера на PIC12HV615 представленана рис.10.
/>
Рис.10. Схема повышающего светодиодного драйвера на PIC12HV615
Примермодуля автомобильного подсветки APRGDT004
Примермодуля автомобильной подсветки демонстрирует управление RGB светодиоднымиустройствами используя микроконтроллер. Этот модуль может управляться удаленнос помощью главного контроллера посредством LIN шины.
Этимодули предлагаются в очень компактном исполнении и содержат микроконтроллерPIC12F615, MCP2021 LIN приемопередатчик/регулятор напряжения и RGB светодиод.Команды LIN интерпретируются модулем для управления смешением цветов (16, 383цветов) и интенсивностью (1023 уровней). Комплект поставляется с 4-мя модулямидля назначения зоны освещения как в сеть LIN, так и в сеть J2602. Эти модулимогут работать с анализатором APGDT001 LIN для быстрого создания рабочей LINсети.
Списоклитературы
AN1114 — Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part I), DS01114
AN1207 — Switch Mode Power Supply (SMPS) Topologies (Part II), DS01207
MCP1252/3 Data Sheet, DS21572
MCP1252 Charge Pump Backlight Demo Board User's Guide, DS51551
MCP1252/3 Evaluation Kit User's Guide, DS51313
DG10 — Power Solutions Design Guide, DS21913
MCP1650 3W White LED Demo Board User's Guide, DS51513
MCP1640/B/C/D Data Sheet, DS22234
MCP1650/51/52/53 Data Sheet, DS21876
MCP1650 Multiple White LED Demo Board User's Guide, DS51586
AN948 — Efficiently Powering Nine White LEDs Using the MCP1650, DS00948
AN980 — Designing a Boost-Switching Regulator with the MCP1650, DS00980
DG10 — Power Solutions Design Guide, DS21913 MCP1650/51/52/53 DataSheet, DS21876
AN980 — Designing a Boost-Switching Regulator with the MCP1650, DS00980
DG10 — Power Solutions Design Guide, DS21913
AN874 — Buck Configuration High-Power LED Driver, DS00874
AN1074 — Software PWM Generation for LED Dimming and RGB ColorApplications, DS01074
AN1035 — Designing with HV Microcontrollers DS01035
AN1047 — Buck-Boost LED Driver Using the PIC16F785 MCU, DS01047
AN1271 — Offline Power Converter for High Brightness LEDs Using thePIC16HV785 Microcontroller, DS01271
PIC16F785/HV785 Device Data Sheet, DS41249
MCP1630/MCP1630V Device Data Sheet, DS21896
MCP1631 Device Data Sheet, DS22063
AN1138 — A Digital Constant Current Power LED Driver, DS01138
AN829 — LightKeeper Automotive Lighting Control Module, DS00829
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.gaw.ru/