用于低启动电压的LED升压驱动器

日期:2018-11-06
  

作者:Catalin Bibirica,电源应用工程师,Microchip
——如何使用恒流升压稳压器为多个LED或一个高功率LED设计不同的恒流直流-直流升压转换器
 
作为发光二极管(LED)恒流发生器优化的紧凑型高效固定频率升压型直流-直流转换器可提供易于使用的电源,并具有少量外部元件,适合由单节或两节碱性电池、镍镉电池和镍氢电池供电的应用。它可以集成在各种应用中,范围涵盖由单节碱性电池、镍氢电池或镍镉电池供电的基本单LED驱动器到多个红外、白光和RGB LED。
该器件的一个示例是Microchip的MCP1643。这是一种工作在1 MHz的固定开关频率下的仅脉宽调制器件。图1给出了用作简单直流-直流电流源升压转换器的器件,该转换器使用电阻(RSET)来设置所需电流。
 

1:升压直流-直流转换器的典型应用
 
输入电压决定了最大LED电流。该器件的工作输入电压为0.5V至5V,启动电压为0.65V。
对于充满电的电池,最大稳压LED电流为450 mA。与碱性电池相比,镍氢电池和镍镉电池的标称电压较低,因此器件提供的最大LED电流也较低,约为350 mA。即使电池电量即将耗尽,该器件仍可继续提供高达150 mA的电流。
与所有LED电流驱动器一样,最大和最小负载电流限值存在一些限制。
受升压拓扑影响,输出LED电流保持稳定,而VIN小于VOUT,并且具有300至400 mV的裕量。最大负载电流由输入电流限值(即1.8A)决定。如果选定的LED电流强制输入电流大于器件的最大峰值电流,则LED电流无法保持稳定,将随输入电压而波动。电池还必须能够承受转换器所需的电流量。器件可以调节的最小输出LED电流为20 mA。
 
单节LED的驱动器
其中一个最简单的应用是作为恒流LED驱动器,通过修改检测电阻的值来设置可选电流。对于2.4W,设定电流为50 mA,可通过并联检测电阻增加到100和150 mA。
该器件允许通过施加于EN引脚的可变占空比PWM信号点亮或熄灭LED,以此实现脉宽调制(PWM)调光。调光的最大频率受内部软启动的限制,软启动时长通常为240 μs。改变施加到EN输入的PWM信号的占空比,LED的平均电流会呈线性变化,并且光强度也会发生变化。
 
串联LED驱动器
该器件还可用于 驱动两个串联的LED。但是,最大电压受过压保护的限制,过压保护将输出电压限制在5.0V。由于这种保护,它可以处理两个低电压LED,例如用于遥控的红外LED和红色LED,但不能处理高电压LED,如白色LED和蓝色LED。
 
并联LED驱动器
该器件的最大输出电流为550 mA。为了利用这一点,可以并联低电流LED。LED的最大数量由转换器的最大输出电流(550 mA)除以LED电流额定值决定。例如,如果LED额定电流为50 mA,则最多可使用11个LED。还需要相同数量且值也相同的电阻。
一对由LED和电阻组成的组合用于设置器件测量的电流。其他对将紧随其后,由第一对的电流控制。
该应用适用于便携式背光设备,其中低功率SMD电阻排列成一行以供LCD照明。这种低成本、低元件数的方法取代了对高压恒流升压转换器的需求,该转换器可能需要大电感并占用大量PCB空间。
                    
嵌入式系统
RGB LED由共阴极或共阳极的三个LED(红色、绿色和蓝色)构成,可以同时驱动三个LED,也可以一次驱动一个LED,以形成可见光谱的任何颜色。每种颜色的LED都具有不同的正向电压,因此需要电流源来独立驱动每个LED。
MCP1643直流-直流转换器既可用作高功率RGB LED的电流源,也可用作单片机的电压源。单节AA电池即可供电。
该器件的最大输出电流为550 mA,但只有一个输出。要独立驱动三个LED,必须由单片机进行控制。使用240 μs的软启动时间时,可以针对每种颜色复用输出,而不会使70 Hz的LED出现任何电流过冲情况。必须通过外部晶体管改变LED电流路径,以单独为每个LED供电。
在该应用中,通过断开LED和反馈电阻并用电阻分压器控制反馈电压,器件也可以作为电压源短时间使用,以将输出电压升高到4V的固定值。
考虑到该器件还用于驱动三个LED并为控制系统供电,芯片将以大约300 Hz(约为70 Hz的4倍)的频率使能。
要将器件用作多个独立LED的控制器,必须满足一些条件:
·           必须使用相同的反馈电阻将输出从一个LED移动到另一个LED。
·           每次控制系统更改电流路径时,都必须禁止并重新使能该器件。
· 必须降低输出电压,以防止在更换为不同LED颜色时出现任何电流过冲。
需要PIC®单片机才能实现此功能。图2所示为控制信号的时序。
 

2:工作原理
 
绿色、蓝色和红色信号是晶体管的栅极电压。这些晶体管用于改变每种颜色的电流路径。在接收到命令信号(栅极电压)之后,晶体管将导通并且相应的颜色将与LED驱动器形成闭合电流环路。使能信号与这些栅极信号同步,并且在没有LED被控制时具有额外的使能周期。在此期间,输出电压上升到固定电压,器件用作电压源。
必须重视使能信号的顺序。如果在未将LED连接到其输出的情况下启动器件,则将导致器件将输出电压增加到5V的最大值。如果LED随后连接到电路中,则输出电容将不受控制地向LED放电,从而损坏LED。
由于正向LED电压差的原因,使能信号之间的死区不同。对于从低电压到高电压的正向电压转换,可以消除死区,但不建议这样做。
 
直流-直流电压源
要将器件用作电压源,需要一些外部元件。必须添加一个晶体管以将反馈电阻与电流驱动器的反馈环路断开,并且反馈环路中的电阻分压器可以将电压升高到供控制系统使用的适当大小。当LED未连接但器件已使能时,输出电压会在短时间内增加至约4V。
由于复用的原因,PIC单片机电压不稳定,将随着时间的推移下降,具体取决于复用频率、存储的能量和控制系统的功耗。
如果需要更稳定的电压,可在器件后连接LDO。例如,如果需要3.3V电源,可以使用MCP1702等低静态电流低压差稳压器(LDO),MCP1643的输出电压应设置为3.6V以上。压降不会影响单片机的功能,单片机的供电电压为2.3V至5V。
为避免干扰LED的控制电压,还需要额外的元件。在器件驱动LED时,肖特基二极管可以防止任何电压返回LED,并且电容可以存储能量。
除了不需要将另一个直流-直流转换器用于控制系统之外,这种方法还具有另一个优点。当转换器关闭时,单片机也将关闭。整个系统将仅使用器件的1.2 μA典型关断电流。
可以通过使能器件(也将自动为单片机供电)或者通过将外部电压源施加于单片机至少100 ms来手动重启系统。
图3给出了RGB LED驱动器演示板的电气原理图。原理图分为几个模块,每个模块指向系统每个部分的功能。
 

3RGB LED驱动器演示板电气原理图
 
PCB布线应遵循直流-直流转换器的一般规则:承载最大电流的电源走线应尽可能短,不得在任何检测或高阻抗信号走线下方或附近布线。开关节点也必须尽可能短以减少干扰。输入和输出电容应尽可能靠近转换器,建议使用地平面。
对于容易升温的器件,应向铜平面添加多个过孔以帮助散热。
 
结论
MCP1643是一款多功能同步升压型直流-直流LED驱动器转换器,专为具有低启动电压和高电流能力的单节碱性电池供电的应用而设计。1.2 μA的低待机(关断)电流可在不使用时延长电池使用寿命,而低元件数和较小的PCB面积则使其成为更小、更便携应用的理想选择。使用此器件设计直流-直流转换器非常简单,通过连接单片机,设计将更具通用性和易用性。
 
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