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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Microcircuitos de controlador de LED de alto brillo. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / iluminación No es difícil encender un LED, para ello basta conectarlo en conexión directa a través de una resistencia limitadora a una fuente de alimentación. Pero este método es extremadamente antieconómico, ya que se crea una gran caída de voltaje en la resistencia limitadora y, por lo tanto, grandes pérdidas. Además, la corriente a través del LED y el brillo de su brillo con tal inclusión serán extremadamente inestables. Para aumentar la eficiencia y la estabilidad del brillo de los LED, se utilizan controladores en microcircuitos especializados. Algunos de ellos serán discutidos en este artículo. El autor considera varios chips de controladores de Monolithic Power Systems (MPS). Clasificación de chips de controlador basados en convertidores CC/CC Los chips controladores para alimentar LED ultrabrillantes se pueden encontrar en dispositivos de diversa complejidad, desde linternas LED hasta teléfonos móviles, cámaras digitales, computadoras, etc. Uno de los usos más comunes de los LED es en circuitos de retroiluminación LED para pantallas LCD. Los controladores para dispositivos autoalimentados suelen tener una alta eficiencia (más del 90%). Son convertidores elevadores o reductores de CC/CC de conmutación ajustable. Puede encontrar los llamados controladores capacitivos con un circuito de refuerzo de voltaje y controladores inductivos. Suelen utilizar la estabilización de la corriente de salida (es decir, la corriente de los LED), lo que asegura un brillo estable de los LED. Con menos frecuencia, la estabilización de voltaje en los LED se usa para esto. Los convertidores de impulso capacitivos también se denominan convertidores de bomba de carga. Esta es una traducción literal del término inglés Charge Pump, que se refiere a estos esquemas en documentación y literatura técnica extranjera. Pueden funcionar como convertidores buck-boost. Las ventajas indiscutibles de los controladores de bomba de carga son su simplicidad y bajo costo. Los controladores también utilizan convertidores de arquitectura SEPIC inductivos (convertidor de inductor primario de un solo extremo, un convertidor primario de un solo extremo en la inductancia) como convertidores de CC / CC de refuerzo y reducción, cuyas ventajas son una corriente de salida y una eficiencia algo más altas que los convertidores con un aumento de tensión del circuito. Los convertidores elevadores también han encontrado un uso importante en aplicaciones de bajo voltaje. Tienen una alta eficiencia y una gran corriente de salida con otros indicadores promedio. Las características de los controladores en los convertidores CC/CC que figuran en [1] se resumen en la Tabla 1. Tabla 1. Características de los controladores basados en convertidores CC/CC
Los convertidores reductores en electrodomésticos rara vez se utilizan como controladores de LED. Por lo tanto, consideraremos las características de los circuitos de los controladores de los tres tipos restantes en microcircuitos de Monolithic Power Systems con más detalle. Controladores para alimentar LED ultrabrillantes con un circuito de refuerzo de voltaje (Bomba de carga) de MPS El chip MP1519 es un controlador para alimentar cuatro LED blancos con un circuito de refuerzo de voltaje (Bomba de carga) alimentado por una fuente de 2,5 ... 5,5 V (ver Fig. 1).
El microcircuito se fabrica en un paquete QFN16 de 16 pines en miniatura con un tamaño de 3x3 mm. El propósito de los pines de este microcircuito se muestra en la Tabla 2. Tabla 2. Propósito de los pines del chip MP1519
El MP1519 IC contiene un sensor de voltaje de la batería, un controlador de control, un generador de corriente, una fuente de voltaje de referencia (ION) de zona prohibida, cuatro fuentes de corriente LED (estabilizadores) y un circuito de refuerzo de voltaje. En serie con cada LED dentro del microcircuito, se enciende un estabilizador de corriente (Fuente de corriente - fuente de corriente) y el generador de corriente controla el modo de las cuatro fuentes de corriente. El controlador de control proporciona la selección automática del modo de refuerzo, arranque "suave", etc. El circuito de aumento de tensión convierte la tensión de alimentación en pulsos de 1,3 MHz, que se rectifican y cargan los condensadores de almacenamiento C1 y C2. Cuando se utiliza un circuito de refuerzo de voltaje para alimentar los LED, el voltaje de la batería se agrega a los voltajes de estos capacitores. Para el correcto funcionamiento del circuito de refuerzo de tensión, los condensadores C1 y C2 deben tener la misma capacidad. Una de las características del chip MP1519 es el cambio automático de la relación de aumento de voltaje: 1x, 1,5x y 2x. Esto proporciona una estabilización efectiva óptima de las corrientes y, por lo tanto, el brillo de los LED cuando cambia el voltaje de suministro (por ejemplo, durante el envejecimiento o el reemplazo de la batería). Para hacer esto, durante la operación, el microcircuito monitorea continuamente la corriente de los LED y el voltaje de la batería. Para evitar la sobrecarga de la batería, el chip MP1519 utiliza un inicio "suave" y un cambio "suave" de los modos de impulso. La corriente de los LED está establecida por la resistencia R1, cuya resistencia se puede calcular mediante la fórmula: R1 (kOhm) = 31,25/lLED(mamá) En presencia de una tensión de alimentación de 2,5 ... 5,5 V en el pin. 5 y 13 del IC, el controlador se enciende aplicando un nivel de voltaje alto a la entrada de permiso EN (pin 12) de este microcircuito. Cuando se enciende, el controlador del microcircuito MP1519 analiza la magnitud del voltaje de suministro, la corriente de los LED y activa uno u otro modo de aumento de voltaje. El controlador se apaga (extinguiendo los LED) con un nivel bajo en el pin. 12 con un retraso de 30 µs. La entrada EN se puede utilizar para la atenuación analógica y PWM de los LED. Es para la atenuación de PWM que es necesario el retraso de apagado del microcircuito. Para hacer esto, se aplica una señal PWM de control externo con una frecuencia de 50 Hz ... 50 kHz a la entrada de habilitación EN. Cuando finaliza el pulso de la señal de control, la corriente de los LED y su brillo disminuyen gradualmente hasta cero en 30 µs. Cuanto mayor sea el ciclo de trabajo de los pulsos de control, menor será el brillo promedio de los LED. A una frecuencia de la señal de control de más de 50 kHz, el brillo se regula de manera ineficiente y a una frecuencia inferior a 50 Hz, se nota el parpadeo de los LED. Para atenuación analógica en pin. 11 El MP1519 se alimenta con un voltaje de ajuste constante a través del divisor de voltaje R2 R1 (ver Fig. 2). Al cambiar este voltaje de 0 a 3 V en la entrada del divisor R2 R1, puede cambiar la corriente del LED de 0 a 15 mA.
MPS produce dos microcircuitos más similares en circuitos y pinout a MP1519: estos son MP1519L y MP3011. El chip MP1519L está diseñado para funcionar con tres LED blancos y se diferencia del MP1519 en que el pin MP1519L. 1 no se utiliza. Está disponible en paquetes QFN16 (3x3 mm) y TQFN16 (3x3 mm). El chip MP3011 está diseñado para funcionar con solo dos LED blancos. Este chip tampoco usa pin. 14. Este chip está disponible en un paquete QFN16 (3x3 mm). Controladores para alimentar LED ultrabrillantes basados en convertidores CC/CC elevadores (Boost, Step-Up) de MPS Puede encontrar una descripción detallada del chip MP2481 en [2], así que considere los siguientes chips: MP3204, MP3205, MP1518, MP1523, MP1528, MP1521, MP1529 y MP1517. El microcircuito MP3204 es un convertidor elevador CC/CC clásico que, con un voltaje de entrada de 2,5 ... 6 V, le permite obtener un voltaje constante de hasta 21 V en LED conectados en serie. Se pueden conectar hasta cinco LED conectado al máximo MP3204, pero para un control óptimo, el fabricante recomienda conectar tres LED blancos a la salida del microcircuito (ver Fig. 3).
El microcircuito contiene un oscilador de 1,3 MHz, PWM, un amplificador de señal de retroalimentación, un amplificador de señal de un sensor de corriente y un interruptor de salida de transistor de efecto de campo. Se fabrica en un paquete miniatura TSOT23-6. El propósito de los pines de este microcircuito se muestra en la Tabla 3. Tabla 3. Propósito de los pines del chip MP3204
El controlador para el MP3204 (Fig. 3) funciona de la siguiente manera. El microcircuito se enciende aplicando un nivel alto a la entrada de habilitación EN (pin 4). Cuando se cierra la tecla de salida (pines 1 y 2), fluye una corriente creciente desde la fuente de alimentación a través del inductor L1 y se crea un campo magnético en el núcleo del inductor. Cuando se abre el interruptor de salida, aparece un EMF de autoinducción en el inductor ("+" a la derecha en la Fig. 4 y "-" a la izquierda), que se agrega al voltaje de suministro del circuito. Con esta tensión total, el condensador de almacenamiento C1 se carga a través del diodo D2. El voltaje de este capacitor se usa para alimentar los LED conectados en serie. Los capacitores cerámicos generalmente se usan como capacitor de filtro de entrada C1 y capacitor de almacenamiento en la salida C2. El condensador de almacenamiento C2 de 0,22 uF es suficiente para la mayoría de las aplicaciones, pero se puede aumentar a 1 uF. El estrangulador L1 debe tener una pequeña resistencia de CC. En la posición D1, se instala un diodo Schottky con una corriente continua de 100 ... 200 mA. La resistencia R1, conectada en serie con los LED, se utiliza como sensor de corriente para los LED. Para estabilizar la corriente de los LED, el voltaje de R1, proporcional a esta corriente, se alimenta a la entrada de retroalimentación FB del microcircuito. La resistencia de la resistencia R1 establece la corriente de los LED. La dependencia de la corriente del LED en la resistencia de la resistencia R1 se muestra en la Tabla 4. Tabla 4. Dependencia de la corriente del LED en R1
Para proteger la fuente de alimentación de una sobrecarga cuando se enciende, el microcircuito tiene un circuito de arranque suave incorporado. El chip proporciona atenuación analógica y PWM, y hay tres formas diferentes de ajustar el brillo. Para el ajuste analógico, el circuito que se muestra en la fig. 4.
Cuando el voltaje de control cambia de 2 a 0 V, la corriente del LED cambia de 0 a 20 mA. Además de la atenuación analógica, se pueden utilizar dos métodos de atenuación PWM. La esencia del primer método es que una señal PWM con una frecuencia de hasta 1 kHz se aplica directamente a la entrada EN (pin 4). La corriente y el brillo de los LED son inversamente proporcionales al ciclo de trabajo de los pulsos PWM de control, es decir, son directamente proporcionales a la duración de estos pulsos. En el segundo método, una señal PWM con una frecuencia de más de 1 kHz se alimenta a la entrada de retroalimentación FB (pin 3) a través de un filtro de aislamiento (ver Fig. 5).
El microcircuito dispone de protección de sobrecarga cuando baja la tensión de entrada (Under Voltage Lockout) con un umbral de respuesta de 2,25 V y una histéresis de 92 mV y protección de sobrecarga por sobrepasar la tensión de salida, por ejemplo, si se rompe uno de los LED. Para hacer esto, el voltaje de salida del convertidor se aplica a la entrada del circuito de protección OV (pin 5). Esta protección se activa cuando la tensión de salida es de 28 V y apaga el inversor. Para volver a intentar encenderlo, debe apagar y luego encender la fuente de alimentación del circuito. El microcircuito MP3205, a diferencia del MP3204, no tiene protección de voltaje de salida y la entrada OV El microcircuito MP3205 está fabricado en un paquete TSOT5-23 de 5 pines. Alfiler. 5 del caso TSOT23-5 de este microcircuito, en términos de ubicación y propósito, corresponde al pin. 6 chips MP3204 en paquete TSOT23-6. Muy cerca en parámetros y circuitos de los microcircuitos MP3204 y MP3205 están los microcircuitos MP1518 y MP1523, que están diseñados para controlar hasta 6 LED. El MP1518 está disponible en paquetes TSOT23-6 y QFN-8. El chip MP1518 en el paquete TSOT23-6 es completamente idéntico en pines al MP3204. El chip MP1523 se fabrica solo en el paquete TSOT23-6 y tiene varias diferencias con el MP1518. El pinout del chip MP1523 es prácticamente el mismo que el del MP3205, pero se diferencia de éste en el pin. 5 (BIAS) MP1523 se puede conectar al más de la fuente de alimentación (2,7 ... 25 V), casi como un pin. 5 (IN) del chip MP3205, o a la salida del circuito (al cátodo D1). En este último caso, el microcircuito MP1523 dispondrá de un circuito de protección de sobrecarga por superación de la tensión de salida con un umbral de 28 V. La resistencia del sensor de corriente conectada en serie con los LEDs debe tener una resistencia de 20 ohmios para este microcircuito. El MP1523 no tiene circuitos de atenuación de LED. Otro controlador de aumento para alimentar 9 LED se realiza en el chip MP1528 (paquete QFN6 de 3x3 mm o MSOP8, en el que el chip está marcado como MP1528DK). Las asignaciones de pines del MP1528 se muestran en la Tabla 5. Tabla 5. Propósito de los pines del microcircuito.
El circuito de conmutación típico del microcircuito MP1528 difiere ligeramente de los otros controladores discutidos anteriormente (ver Fig. 6).
Para garantizar el máximo brillo de los LED, se debe aplicar un voltaje de más de 1,2 V a la entrada BRT.La corriente de los LED con el máximo brillo está determinada por la resistencia R1, cuya resistencia se puede calcular mediante la fórmula: R1 (kOhm) = TVATIO/(3 yoLED(mamá)) La atenuación analógica se realiza cambiando el voltaje de CC en el pin BRT de 0,27 V a 1,2 V. Para proporcionar atenuación PWM, se aplica una señal PWM con una frecuencia de 100 a 400 Hz a la entrada BRT, cuyo nivel bajo no debe exceder los 0,18 V y el nivel alto no debe ser inferior a 1,2 V. El microcircuito dispone de protección contra la superación de la tensión de salida, con un umbral de respuesta de 40 V, así como protección contra la bajada de la tensión de entrada (umbral de funcionamiento 2,1...2,65 V) y protección de temperatura con un umbral de 160 °C. Uno de los controladores más potentes de los convertidores CC-CC de MPS es el chip MP1529 (solo el MP1517 es más potente que los circuitos integrados que se están considerando). El chip MP1529 debe ser de particular interés para los lectores, ya que se utiliza en cámaras digitales, videocámaras y teléfonos móviles con cámara digital integrada. Puede impulsar tres cadenas (líneas) de LED blancos ultrabrillantes conectados en serie. Dos de estas líneas (LED1 y LED2) de seis LED cada una se usan para retroiluminación de indicadores de cristal líquido (LCD), y la tercera (LED3) de cuatro LED se usa para flash y para iluminar objetos en la oscuridad (modo de vista previa). La tensión de alimentación del microcircuito MP1529 es de 2,7 ... 5,5 V, y la tensión de salida es de 25 V. Dispone de protección contra superación de la tensión de salida con un umbral de 28 V, así como protección contra subtensión de la tensión de entrada con un umbral de 2 ... 2,6 V e histéresis 210 mV. El MP1529 también tiene protección contra la temperatura (160°C) y viene en un paquete QFN16 de 4x4 mm. El propósito de los pines MP1529 se muestra en la tabla 6, y un circuito de conmutación típico se muestra en la fig. 7. Tabla 6. Propósito de los pines del chip MP1529
Las entradas de habilitación EN1 y EN2 se utilizan para habilitar varios modos. Si ambas entradas tienen un nivel lógico bajo L (0,3 V), los 16 LED se apagarán. Si la entrada EN2 se mantiene baja y EN1 se establece en un nivel alto H (1,4 V), los LED parpadeantes (LED3) permanecerán apagados y los 12 LED de retroiluminación (cadenas LED1 y LED2) brillarán con la mayor intensidad posible. El brillo máximo y la corriente de los LED de retroiluminación se establecen mediante la resistencia de la resistencia RS1 (conectada al pin 9). Si, al mismo tiempo, se aplica una señal PWM de control con una frecuencia de 1 ... 1 kHz a la entrada EN50, entonces, dependiendo del ciclo de trabajo de esta señal, el brillo de la iluminación de los LED de retroiluminación cambiará . Si la entrada de habilitación EN2 se establece en un nivel lógico bajo, una cadena de cuatro LED (LED3) se encenderá adicionalmente en el modo de iluminación (vista previa). En este caso, la corriente de los LED LED3 estará determinada por la resistencia de la resistencia RS2 (pin 10). Si se aplica un nivel bajo a la entrada EN1 y un nivel alto a la entrada EN2, entonces los LED de retroiluminación LED1 y LED2 se apagarán y los LED de LED3 se iluminarán con la mayor intensidad posible (modo intermitente). En este modo, la corriente de los LED LED3 se establece mediante la resistencia de la resistencia RS3 (pin 11). La resistencia de las resistencias RS1, RS2 y RS3 (en kΩ) se calcula mediante las fórmulas: RS1 = (950USET)/YOLED_BL RS1 = (1100USET)/YOLED_PV RS1 = (1000USET)/YOLED_FL donde tuSET - tensión de referencia interna 1,216 V, ILED_BL - corriente (en mA) de uno de los circuitos LED de retroiluminación LED1 o LED2, ILED_PV - corriente (en mA) de los LED LED3 en modo iluminación, ILED_FL- corriente (en mA) de LEDs LED3 en modo flash. La información sobre los modos de funcionamiento del chip MP1529, según los niveles lógicos en las entradas de habilitación EN1 y EN2, se resume en la Tabla 7. Tabla 7. Modos de funcionamiento del chip MP1529 en función de las señales en las entradas EN1 y EN2
* L - nivel bajo, H - nivel alto Los condensadores C1 y C2 son los condensadores de almacenamiento de los filtros en la entrada y salida del circuito, respectivamente, C3 es el condensador de almacenamiento del filtro de voltaje de control en la entrada de la etapa PWM (este PWM proporciona estabilización de voltaje de salida), C4 es el condensador del circuito de arranque suave (temporizador PWM). El chip MP1521 con una tensión de alimentación de 2,7 V le permite conectar hasta 9 LED superbrillantes, y con una tensión de alimentación de 5 V, hasta 15 LED superbrillantes. El voltaje de suministro máximo del IC es de 25 V. El MP1521 está disponible en paquetes MSOP10 (MP1521EK) y QFN16 (MP1521EQ). El propósito de los pines de este microcircuito se muestra en la tabla 8, y el circuito de conmutación para alimentar 9 LED se muestra en la fig. 8. Tabla 8. Asignación de pines del chip MP1521 en paquetes MSOP10, QFN16 (3x3 mm)
Las resistencias R1, R2 y R3 (Fig. 8) son sensores de corriente LED. Con atenuación analógica, se aplica voltaje a la entrada EN en el rango de 0,3 ... 1,2 V, y con atenuación PWM, una señal PWM con una frecuencia de 100 ... 400 Hz con un nivel bajo de no más de 0,18 V y un nivel alto de no más de 1,2, XNUMX V. Convertidor Boost y convertidor de tipo SEPIC en el chip MP1517 El fabricante recomienda utilizar el chip MP1517 no solo como un convertidor elevador de CC/CC, sino también como un convertidor SEPIC (convertidor de inductancia primaria de un solo extremo). La tensión de alimentación de este microcircuito se encuentra en el rango de 2,6 ... 25 V. Se fabrica en un paquete QFN16 de 4x4 mm de tamaño. La asignación de pines del chip MP1517 se muestra en la tabla 9, y un circuito de conmutación típico se muestra en la fig. 9. Tabla 9. Propósito de los pines del chip MP1517
Este circuito se diferencia de los anteriores (ver Fig. 6 u 8) solo en que el sensor de corriente de uno de los tres LED en serie se utiliza para estabilizar la corriente del LED. Por lo tanto, nos detendremos con más detalle solo en la descripción del circuito del convertidor CC / CC del tipo SEPIC en el MP1517 (ver Fig. 10).
Una característica del convertidor SEPIC es que el voltaje en su salida puede ser mayor o menor que la entrada, lo que está garantizado por la presencia de un condensador de acoplamiento C8 (ver [3, 4]). El esquema de la fig. 10 produce un voltaje de 3,3 V en la salida cuando el voltaje de entrada cambia de 3 a 4,2 V. Cualquier convertidor de tipo SEPIC se ensambla sobre la base de un convertidor elevador de conmutación, que es fácil de ver en el diagrama a continuación. Además, este convertidor elevador (en L1, D2) se usa para alimentar el propio microcircuito. Veamos cómo funciona el convertidor SEPIC MP1517 en estado estacionario. Como resultado del trabajo anterior, cuando se desbloquea la clave interna de la MS en el transistor de efecto de campo, el capacitor C8 se cargará ("+" - a la izquierda en la Fig. 10, "-" - en la derecha). Cuando se abre esta llave, C8 se descargará a través del inductor L2, en el que se acumulará la energía del campo magnético cambiante. Además, el inductor L1 también acumulará energía magnética, a través de la cual fluirá una corriente creciente desde la fuente de alimentación a través de la misma llave interna del microcircuito. Cuando la llave está bloqueada en el inductor L1, aparece un EMF ("+" - a la derecha, "-" - a la izquierda), que se suma al voltaje de la fuente de alimentación y carga C8 ("+" - en la izquierda, "-" - a la derecha) a través de D1 y el condensador C2. Además, aparece un EMF en L2 ("+" - en la parte superior, "-" - en la parte inferior), cargando C2 a D1. En el próximo desbloqueo de la llave interna del microcircuito, se repetirá el proceso. El valor de voltaje en la salida del convertidor (en C2) depende principalmente del ciclo de trabajo de los pulsos de control clave y de la corriente de carga. R1 R2: divisor de voltaje de retroalimentación, que proporciona estabilización del voltaje de salida, C6: capacitor de filtro de voltaje de error. C5 es la resistencia de desacoplamiento y C4 es el condensador de arranque suave. Literatura
Autor: I. Bezverkhny
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