1. Principio de funcionamiento de los LED

Antes de diseñar un circuito controlador, es importante comprender cómo funciona un LED. El brillo de un LED está determinado principalmente por su voltaje directo (VF) y corriente directa (IF). La curva característica de corriente-voltaje se muestra en la Figura 1. Aquí, VF representa la caída de tensión directa, mientras que IF es la corriente directa.

Una vez que el voltaje directo aplicado excede el nivel de umbral (también conocido como voltaje de encendido, aproximadamente 1.7 V en este caso), IF puede considerarse casi proporcional a VFComo se ilustra en la figura, la corriente directa máxima de un LED puede alcanzar hasta 1 A, mientras que el rango típico de voltaje directo es de aproximadamente 2 V a 4 V.

Figura 1. Relación entre VF e IF

La caída de tensión directa de un LED puede variar en un rango relativamente amplio (más de 1 V). A partir de la curva VF-IF mostrada arriba, es evidente que incluso un pequeño cambio en VF Puede causar una gran variación en IF, lo que a su vez provoca fluctuaciones significativas en el brillo. Por esta razón, las características luminosas de los LED se describen generalmente en función de la corriente, no del voltaje.

Sin embargo, en circuitos rectificadores típicos, la tensión de salida fluctúa con los cambios en la tensión de alimentación. Esto significa que el uso de una fuente de tensión constante no puede garantizar un brillo constante del LED y puede afectar negativamente su rendimiento. Por lo tanto, los controladores LED suelen estar diseñados para funcionar como fuentes de corriente constante.

2. Técnicas de conducción de LED

Del principio de funcionamiento de los LED se desprende claramente que, para mantener un brillo óptimo, un LED debe ser alimentado por una fuente de corriente constante. La función del controlador no solo es garantizar esta característica de corriente constante, sino también lograr un bajo consumo de energía.

Para cumplir estos requisitos, los métodos de control de corriente comúnmente utilizados incluyen:

• Ajuste del valor de una resistencia limitadora de corriente para regular la corriente.
• Variar el voltaje de referencia a través de la resistencia limitadora de corriente para controlar la corriente.
• Utilizando PWM (modulación por ancho de pulso) para lograr la regulación de la corriente.

Las técnicas empleadas en los controladores LED son muy similares a las de las fuentes de alimentación conmutadas. En esencia, un controlador LED es un tipo de circuito de conversión de potencia, pero su salida es... corriente constante En lugar de un voltaje constante, el circuito debe suministrar una corriente promedio estable en todas las condiciones, con una corriente de rizado dentro de un rango especificado.

(1) Método de limitación de corriente
La figura 2 muestra el circuito más simple que utiliza el método de limitación de corriente.

Figura 2. Circuito más simple del método de limitación de corriente

Como se muestra en Figura 3 y XNUMXEsta es la configuración tradicional del circuito. La tensión de red se reduce, rectifica y filtra. A continuación, se utiliza una resistencia en serie para limitar la corriente y mantener el LED funcionando de forma estable y proporcionar una protección básica.

Sin embargo, el inconveniente fatal de este enfoque es que la potencia disipada en la resistencia R Reduce directamente la eficiencia del sistema. Combinado con las pérdidas del transformador, la eficiencia general del sistema es solo de aproximadamente... 50%Además, cuando la tensión de alimentación fluctúa dentro de ±10%, la corriente a través del LED puede variar en 25% o más, y la potencia entregada al LED puede variar en más de 30%.

La principal ventaja de la limitación de corriente por resistencia es su simplicidad, bajo costo y ausencia de interferencias electromagnéticas (EMI)Sin embargo, sus desventajas son significativas: el brillo del LED cambia con las variaciones en VF, la eficiencia es muy baja y la disipación del calor se convierte en un problema grave.

Figura 3. Circuito limitador de corriente de resistencia tradicional

También hay un artículo sencillo en línea sobre el método de limitación de corriente al que se puede hacer referencia: https://www.ourpcb.com/current-limiting-resistor.html

Para obtener más información sobre el control de la retroiluminación LED de corriente constante, consulte: https://www.orientdisplay.com/wp-content/uploads/2018/07/OrientDisplay-Backlight-Constant-Current-Driver.pdf

(2) Método de regulación de voltaje
Como se muestra en Figura 4 y XNUMXEste circuito se basa en la Figura 3, con la adición de un regulador de voltaje integrado (MC7809). Esto mantiene el voltaje de salida prácticamente estable a 9 V, lo que permite que la resistencia limitadora de corriente... R debe hacerse muy pequeño, lo que evita la inestabilidad del voltaje en el LED.

Sin embargo, la eficiencia de este circuito sigue siendo baja. Dado que la caída de tensión tanto en el MC7809 como en la resistencia R1 sigue siendo significativa, la eficiencia general es de solo aproximadamente... 40%Para lograr un funcionamiento estable del LED y una mayor eficiencia, se deben utilizar componentes y circuitos limitadores de corriente de bajo consumo para mejorar el rendimiento del sistema.

El método de regulación de voltaje lineal tiene las ventajas de Estructura simple, pocos componentes externos, eficiencia media y costo relativamente bajo..

Figura 4 Método de regulación de voltaje

(3) Método PWM
La modulación por ancho de pulso (PWM) controla el brillo del LED ajustando el ciclo de trabajo de los pulsos de corriente de excitación. Esta técnica de atenuación enciende y apaga repetidamente el controlador del LED mediante pulsos digitales simples. Al suministrar pulsos digitales de ancho variable, se puede modular la corriente de salida, modificando así el brillo de un LED blanco.

La característica distintiva de este circuito de control es que la energía se transfiere a la carga a través de un inductor. Normalmente, se utiliza una señal de control PWM para activar y desactivar un transistor MOSFET. Variando el ciclo de trabajo de la señal PWM y el tiempo de carga/descarga del inductor, se puede regular la relación entre el voltaje de entrada y el de salida.

Las topologías de circuitos comunes de este tipo incluyen convertidores buck, boost y buck-boostLas ventajas del método PWM son alta eficiencia y rendimiento estable, pero sus desventajas incluyen ruido audible, mayor costo y diseño más complejo.

Figura 5. Circuito de control de LED mediante el método PWM

Como se muestra en Figura 5 y XNUMXLa señal PWM se conecta a través de la base del transistor VQ1 a la compuerta de un MOSFET de canal P. La compuerta del MOSFET de canal P se activa mediante un circuito amplificador simple con transistor NPN, lo que mejora el proceso de conducción del MOSFET y reduce el consumo de potencia del circuito controlador.

Si el MOSFET es controlado directamente por el circuito, su rápida activación y desactivación puede causar oscilaciones en la tensión drenador-fuente. Esto puede provocar... interferencia de radiofrecuencia (RFI) y, en algunos casos, exponer el MOSFET a voltajes excesivamente altos, lo que provoca averías y daños.

Para solucionar este problema, se inserta una resistencia no inductiva en serie entre la compuerta del MOSFET excitado y la salida del circuito controlador. Cuando la señal PWM es alta, el transistor VQ1 conduce, reduciendo la tensión de la compuerta del MOSFET por debajo de la tensión de la fuente. Como resultado, el MOSFET se activa y el LED se ilumina. Por el contrario, cuando la señal PWM es baja, VQ1 se corta, el MOSFET se desactiva y el LED se apaga.

3. Soluciones de circuitos integrados de controlador LED

Los circuitos integrados (CI) de controladores de retroiluminación LED se utilizan principalmente en pantallas LCD (televisores, portátiles, teléfonos móviles, pantallas de automóviles, etc.) para proporcionar una corriente o un voltaje constantes a los módulos LED. Su propósito es garantizar un brillo uniforme, una alta eficiencia y una larga vida útil. Las topologías de controladores más comunes incluyen controladores elevadores (de aumento), reductores (de reducción), reductores-elevadores y de corriente constante multicanalA continuación, se presentan varias categorías representativas de circuitos integrados (CI) de controladores de retroiluminación LED:

(1) Texas Instruments (TI)

• TPS61169:Controlador de corriente constante de impulso de un solo canal, adecuado para LCD de tamaño pequeño (por ejemplo, teléfonos móviles).
• LP8556Admite control I²C, salida multicanal (hasta 6 canales) y atenuación PWM/analógica. Ampliamente utilizado en portátiles y pantallas de automóviles.

(2) ON Semiconductor (ahora onsemi)

• NCP3170 / NCP3170B:Controladores reductores de alta eficiencia, adecuados para pantallas de tamaño pequeño a mediano.
• NCV7685Controlador de corriente constante de 16 canales, a menudo utilizado en retroiluminación y tableros de instrumentos de automóviles, con alta confiabilidad y funciones de diagnóstico.

(3) STMicroelectrónica (ST)

• STLED524:Controlador de retroiluminación LED multicanal con interfaz I²C.
• L5973D:Convertidor DC-DC potenciador para sistemas de retroiluminación LED de potencia media.

(4) Electrónica Renesas

• ISL98611:Integra salidas de bomba de carga positiva/negativa y de refuerzo, diseñadas para la alimentación de teléfonos inteligentes y la conducción con retroiluminación.
• ISL97900:Controlador de retroiluminación LED multicanal con adaptación de corriente de alta precisión.

(5) Fabricantes de China

• Macrobloque (serie MBI):por ejemplo, MBI5030, enfocado en controladores de retroiluminación y pantallas grandes, ampliamente utilizado en televisores y paneles publicitarios.
• Salomón Systech:Ha lanzado soluciones de controladores de retroiluminación LED para teléfonos móviles y pantallas pequeñas y medianas.

6. Resumen

• Pantallas de tamaño pequeño (teléfonos, tabletas): serie TI TPS/LP, serie Renesas ISL.
• Pantallas medianas a grandes (computadoras portátiles, monitores, televisores): controladores de corriente constante multicanal como TI LP8556, ST STLED524, serie Macroblock MBI.
• Aplicaciones automotrices e industriales.:Requiere confiabilidad y control multicanal, generalmente utilizando la serie NCV de ON Semiconductor.

4. Tabla comparativa de circuitos integrados de controladores de retroiluminación LED

5. Comparación de parámetros clave de los circuitos integrados de controladores de retroiluminación LED

Puntos clave de comparación

1.      número de canales

o   Pantallas pequeñas → Canal único (por ejemplo, TPS61169)

o   Pantallas medianas / Automotriz → 6 canales (por ejemplo, LP8556, STLED524)

o   Pantallas grandes / Televisores → 16 canales o más (por ejemplo, NCV7685, MBI5030)

2.      Método de conducción

o   Impulso (aumento gradual) → Común en teléfonos inteligentes y tabletas, se utiliza para elevar los voltajes de suministro bajos a niveles más altos para controlar varios LED en serie.

o   Buck (paso hacia abajo) → Más adecuado para fuentes de alimentación de alto voltaje que impulsan menos LED.

o   Corriente constante multicanal → Garantiza la uniformidad del brillo, ideal para retroiluminación de pantalla grande.

3.      Interfaz de control

o   PWM → Sencillo, ampliamente utilizado en dispositivos móviles.

o   I²C → Más flexible, permite curvas de corriente, voltaje y atenuación ajustables.

o   SPI → Alta velocidad y multicanal, ideal para televisores y pantallas publicitarias.

6. Escenarios de aplicación recomendados para circuitos integrados de controladores de retroiluminación LED

• Pantallas de tamaño pequeño (teléfonos inteligentes/tabletas) → Controladores de refuerzo de un solo canal, por ejemplo, TI TPS61169, Renesas ISL98611
• Pantallas de tamaño mediano (portátiles/pantallas de automóviles) → Controladores de corriente constante multicanal de 6 canales, por ejemplo, TI LP8556, ST STLED524, Renesas ISL97900
• Pantallas de gran tamaño (monitores/televisores) → Controladores de corriente constante de 16 canales o más, por ejemplo, Macrobloque MBI5030
• Escenarios especiales (displays automotrices/publicitarios) → Controladores multicanal de alta confiabilidad, por ejemplo, onsemi NCV7685, Serie Macroblock MBI