česky english Vítejte, dnes je středa 08. prosinec 2021

Zvyšující budič LED spouštěný malým napětím

DPS 6/2017 | Vývoj - články
Autor: Catalin Bibirica, Microchip Technology

Pro aplikace napájené z jednoho či dvou alkalických článků nebo akumulátorů NiCd, resp. NiMH, můžeme jednoduchý zdroj s malým počtem vnějších součástek vyřešit kompaktním zvyšujícím DC/DC měničem s vysokou účinností a pevným kmitočtem, optimalizovaným tak, aby pro diody LED generoval konstantní proud. Využijeme jej přitom v celé řadě aplikací, od prostého buzení jedné LED s využitím jediného článku alkalické baterie či akumulátorů NiMH nebo NiCd až po několik infračervených, bílých a také RGB diod.

Jako příklad vhodné součástky uvažujme obvod MCP1643 od Microchip Technology. Půjde o strukturu jen s pulzně-šířkovou modulací, pracující s pevným spínacím kmitočtem 1 MHz. Zapojení obvodu na pozici jednoduchého proudového zdroje – zvyšujícího DC/DC měniče, který k nastavení žádané velikosti proudu používá rezistor RSET, vidíme na obr. 1. O maximálním proudu LED rozhoduje vstupní napětí. Provozní rozsah vstupního napětí se přitom pohybuje od 0,5 V až do 5 V spolu se spouštěcím napětím rovným 0,65 V.

Obr. 1 Typické zapojení pro zvyšující DCDC měnič

Pro plně nabitou baterii počítáme s maximálním regulovaným proudem LED 450 mA. Ve srovnání s alkalickými články budou mít akumulátory NiMH a NiCd nižší jmenovité napětí, takže klesne i maximální proud dodávaný obvodem, zhruba na 350 mA. A v případě téměř vybitých baterií bude součástka stále zajišťovat až 150 mA. Podobně jako u všech proudových budičů LED budeme i zde počítat s určitým omezením týkajícím se maximálních a minimálních limitů zatěžovacího proudu.

Výstupní proud LED bude regulován za předpokladu, že VIN zůstává menší než VOUT, a to s odstupem 300 až 400 mV stanoveným zvyšující topologií. Maximální zatěžovací proud pak bude určen vstupním proudovým omezením, tzn. 1,8 A. Pokud si však bude zvolený proud LED vynucovat proud na vstupu větší, než je maximální špičkový proud součástky, nebude možné proud diodou regulovat a bude se tudíž měnit spolu se vstupním napětím. Baterie musí také zvládat odběr vyžadovaný samotným měničem. Minimální proud diodou, který na výstupu dokáže součástka řídit, činí 20 mA.

Budič LED s jedním článkem

Jednou z nejjednodušších aplikací bude budič LED s konstantním proudem a jeho volitelnou velikostí nastavenou změnou hodnoty snímacího rezistoru. Například odpor o velikosti 2,4 Ω definuje proud 50 mA, který lze paralelně řazenými snímacími rezistory dále zvyšovat na 100 a 150 mA.

Součástka podporuje stmívání s pulzně- šířkovou modulací (PWM) na základě zapínání a vypínání diody s proměnlivou střídou signálu PWM přiváděného na vývod EN. Maximální kmitočet pro stmívání pak bude omezen interním měkkým startem, typ. 240 μs. Změnou střídy signálu PWM přiváděného na vstup EN dochází k lineární změně střední hodnoty proudu LED a také intenzity světla.

Buzení dvou LED v sérii

Obvod můžeme rovněž využít při buzení dvou diod zapojených do série. Maximální napětí však bude limitováno přepěťovou ochranou omezující výstupní napětí na 5,0 V. Z tohoto důvodu můžeme zapojit dvě LED s nízkým úbytkem napětí, např. infračervenou pro dálkové ovládání a červenou, ale diody pracující s vyšším napětím, např. bílou a modrou, již „nezvládneme“.

Paralelní řazení diod

Součástka pracuje s maximálním výstupním proudem 550 mA. Abychom z toho mohli těžit, řadíme LED s nižšími odběry paralelně. Maximální počet diod pak stanovíme tak, že nejvyšší výstupní proud měniče 550 mA dělíme jmenovitým odběrem LED. Pro případ 50mA LED tak obsloužíme až 11 diod. Bude rovněž vyžadován stejný počet rezistorů s totožnou hodnotou. Jeden pár tvořený diodou a rezistorem slouží k nastavení proudu měřeného součástkou. Další páry řízené proudem prvního páru pak budou následovat.

Taková aplikace je vhodná pro přenosná zařízení s podsvícením, kde při osvětlení LCD poslouží řada nízkopříkonových rezistorů SMD. Levné řešení s malým počtem součástek tak nahrazuje potřebu zvyšujících měničů s konstantním proudem a vyšším napětím, které mohou vyžadovat velkou indukčnost a zabírat na desce spoustu místa.

Vestavné systémy

K vytvoření libovolné barvy ve viditelném spektru slouží RGB LED tvořené trojicí diod, červenou, zelenou a modrou, se společnou katodou či anodou. Můžeme je budit souběžně nebo vždy jen jednu. S každou barvou LED se v propustném směru pojí odlišné napětí, takže k nezávislému buzení každé LED potřebujeme proudový zdroj. DC/DC měnič MCP1643 zde můžeme využít jako zdroj proudu pro výkonové RGB LED a také k zajištění napájecího napětí pro mikrokontrolér. Energii přitom dodává jeden článek baterie typu AA.

Součástka sice zvládá maximální výstupní proud 550 mA, nicméně má jen jeden výstup. Aby tedy mohla nezávisle budit trojici LED, musíme vše řídit mikrokontrolérem. S přihlédnutím k délce měkkého startu 240 μs můžeme výstup bez jakéhokoli proudového překmitu multiplexovat pro každou barvu s kmitočtem LED 70 Hz. Proudovou trasu pro samostatné napájení každé diody pak změníme vnějšími tranzistory.

Obvod v tomto zapojení můžeme rovněž po krátkou dobu využít jako zdroj napětí tak, že rozpojíme diody a zpětnovazební rezistor a napětí ve zpětné vazbě řídíme odporovým děličem. Potřebujeme se přitom dostat až na pevnou velikost výstupního napětí 4 V. Vzhledem k tomu, že součástka slouží k buzení tří diod a také napájení řídicího systému, bude čip pracovat přibližně na kmitočtu 300 Hz (tj. zhruba 4× 70 Hz).

Abychom s obvodem vyřešili nezávislé řízení více LED, měli bychom splňovat několik podmínek:

  • výstup potřebujeme „přemístit“ z jedné LED na druhou se stejným zpětnovazebním rezistorem
  • součástka musí být deaktivována a znovu povolena s každou změnou proudové trasy řídicím systémem
  • výstupní napětí musí klesnout a předcházet tím při změně barvy LED jakýmkoli proudovým překmitům

K zajištění těchto funkcí slouží mikrokontrolér PIC® a časování řídicích signálů vidíme na obr. 2. Zelené, modré a také červené signály budou napětím hradel tranzistorů použitých ke změně proudové trasy pro každou z barev. Poté co obdrží řídicí signál – napětí na hradle, začnou tranzistory vést a odpovídající barva vytvoří s budičem LED uzavřenou proudovou smyčku. Aktivační signál máme se zmíněnými signály hradel synchronizován a nechybí zde ani dodatečná aktivační perioda, během níž nedochází k řízení žádné z diod. V rámci této periody roste výstupní napětí na pevně danou úroveň a součástka pracuje jako napěťový zdroj.

Obr. 2 K principu činnosti systému

Sledu aktivačních signálů musíme věnovat zvýšenou pozornost. Spuštění obvodu bez diody připojené k výstupu způsobí, že součástka zvýší výstupní napětí na maximálních 5 V. Zapojíme-li pak do obvodu LED, bude se výstupní kondenzátor do diody nekontrolovaně vybíjet a zničí ji. Prodleva mezi aktivačními signály je kvůli odlišným napětím LED v propustném směru různá. Pro kladné přechody napětí z nízké na vysokou úroveň ji uvažovat nemusíme, ale nedoporučujeme to.

Napěťový zdroj s DC/DC měničem

Abychom mohli obvod používat jako zdroj napětí, neobejdeme se bez několika vnějších součástek. Potřebujeme přidat tranzistor odpojující rezistor smyčky zpětné vazby proudového budiče, aby odporový dělič ve zpětnovazební smyčce mohl zvýšit napětí na příslušnou úroveň použitou řídicím systémem. Pokud nejsou diody připojeny, ale součástka je aktivní, výstupní napětí krátce roste přibližně na 4 V.

Z důvodu multiplexování není napětí pro mikrokontrolér PIC stabilizováno a bude postupně klesat v závislosti na kmitočtu přepínání, množství uložené energie a také spotřebě řídicího systému. Pokud ovšem vyžadujeme vyšší míru regulace napětí, můžeme k obvodu dále připojit lineární stabilizátor. Např. pro napětí 3,3 V zapojíme nízkoúbytkový stabilizátor LDO s malou klidovou spotřebou typu MCP1702 a výstupní napětí MCP1643 můžeme nastavit na více než 3,6 V. Pokles napětí funkci mikrokontroléru s napěťovým rozsahem od 2,3 do 5 V neovlivní.

Chceme-li předejít potížím s řídicím napětím LED, neobejdeme se ani bez dalších součástek. Schottkyho dioda zabrání, aby se jakékoli napětí dostalo zpátky na LED a kondenzátor může zase při buzení LED ukládat energii. Kromě toho, že není pro řídicí systém vyžadován další DC/DC měnič, bude mít náš návrh ještě jednu výhodu. Je-li totiž měnič vypnut, bude stejně tak i mikrokontrolér. Celý systém tedy zatěžuje jen spotřeba obvodu v režimu shutdown na typické úrovni 1,2 μA.

Systém restartujeme buď manuálně na základě aktivace součástky – ta pak rovněž automaticky napájí mikrokontrolér, nebo vnějším zdrojem napětí přiváděným k mikrokontroléru po dobu nejméně 100 ms. Schéma zapojení ukázkové desky budiče RGB LED zachycuje obr. 3. Děleno je do bloků odkazujících na funkce každé části systému.

Obr. 3 Schéma zapojení ukázkové desky budiče RGB LED

Layout desky plošného spoje navrhujeme s ohledem na obecná pravidla práce s DC/DC měniči. Výkonové trasy, kterými poteče většina proudu, ponecháme tak krátké, jak jen to bude možné. Neměly by procházet pod nebo poblíž jakékoli signálové − snímací či vysokoimpedanční − trasy.

Abychom dále snížili interference, navrhneme co nejmenší i spínací uzel. Vstupní a výstupní kondenzátory osazujeme co nejblíž měniče a doporučena je samozřejmě též náležitá zemní plocha. Pro součástky, které se snadno zahřívají, přidáme na měděnou plochu řadu prokovů a napomůžeme tak odvodu tepla.

Závěr

Obvod MCP1643 je univerzálním synchronně zvyšujícím DC/DC měničem – budičem LED navrženým pro aplikace napájené z jednoho článku alkalické baterie a s ohledem na nízká spouštěcí napětí a také možnosti vyšších proudových odběrů. Malá spotřeba v pohotovostním režimu (shutdown) na úrovni 1,2 μA prodlužuje výdrž baterie při nečinnosti, zatímco nízký počet součástek a rovněž i velikost zastavěné plochy na desce umožní nasazení v ještě menších přenosných aplikacích.

Návrh DC/DC měničů s integrovanými obvody není komplikovaný, a pokud ještě zapracujeme mikrokontrolér, dostáváme všestrannější a snadno ovladatelné řešení.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik