1. Principe de fonctionnement des LED

Avant de concevoir un circuit de commande, il est important de comprendre le fonctionnement d'une LED. La luminosité d'une LED est principalement déterminée par sa tension directe (VF) et le courant direct (IF). La courbe caractéristique courant-tension est illustrée à la figure 1. Ici, VF représente la chute de tension directe, tandis que IF est le courant direct.

Une fois que la tension directe appliquée dépasse le niveau de seuil (également appelé tension d'activation, environ 1.7 V dans ce cas), IF peut être considéré comme presque proportionnel à VFComme illustré sur la figure, le courant direct maximal d'une LED peut atteindre jusqu'à 1 A, tandis que la plage de tension directe typique est d'environ 2 V à 4 V.

Figure 1. Relation entre VF et IF

La chute de tension directe d'une LED peut varier sur une plage relativement large (plus de 1 V). La courbe VF–IF présentée ci-dessus montre clairement que même une faible variation VF peut entraîner une grande variation IF, ce qui entraîne d'importantes fluctuations de luminosité. C'est pourquoi les caractéristiques lumineuses des LED sont généralement décrites en fonction du courant plutôt que de la tension.

Cependant, dans les circuits redresseurs classiques, la tension de sortie fluctue en fonction des variations de la tension d'alimentation secteur. Par conséquent, l'utilisation d'une source à tension constante ne garantit pas une luminosité constante des LED et peut nuire à leurs performances. Par conséquent, les drivers de LED sont généralement conçus pour fonctionner comme des sources à courant constant.

2. Techniques de pilotage des LED

Le principe de fonctionnement des LED montre clairement que pour maintenir une luminosité optimale, une LED doit être alimentée par une source de courant constant. Le rôle du driver est non seulement de garantir cette caractéristique de courant constant, mais aussi de réduire la consommation d'énergie.

Pour répondre à ces exigences, les méthodes de contrôle du courant couramment utilisées comprennent :

• Réglage de la valeur d'une résistance de limitation de courant pour réguler le courant.
• Variation de la tension de référence à travers la résistance de limitation de courant pour contrôler le courant.
• Utilisation de la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour obtenir une régulation du courant.

Les techniques employées dans les drivers de LED sont très similaires à celles des alimentations à découpage. En substance, un driver de LED est un type de circuit de conversion de puissance, mais sa sortie est un courant constant plutôt qu'une tension constante. Dans toutes les conditions, le circuit doit fournir un courant moyen stable, avec un courant d'ondulation maintenu dans une plage spécifiée.

(1) Méthode de limitation de courant
La figure 2 montre le circuit le plus simple qui utilise la méthode de limitation de courant.

Figure 2. Circuit le plus simple de la méthode de limitation de courant

Comme représenté sur la Figure 3Il s'agit de la configuration de circuit traditionnelle. La tension secteur est abaissée, redressée et filtrée, puis une résistance série est utilisée pour limiter le courant afin de maintenir la stabilité de fonctionnement de la LED et d'assurer une protection de base.

Cependant, l’inconvénient fatal de cette approche est que la puissance dissipée dans la résistance R réduit directement l'efficacité du système. Combinée aux pertes du transformateur, l'efficacité globale du système n'est que d'environ 50%. De plus, lorsque la tension d'alimentation fluctue dans la plage de ±10 %, le courant traversant la LED peut varier de 25% ou plus, et la puissance délivrée à la LED peut varier de plus de 30%.

Le principal avantage de la limitation du courant par résistance est sa simplicité, faible coût et absence d'interférences électromagnétiques (EMI). Néanmoins, ses inconvénients sont importants : la luminosité de la LED change avec les variations de VF, l'efficacité est très faible et la dissipation de la chaleur devient un problème sérieux.

Figure 3. Circuit de limitation de courant à résistance traditionnelle

Il existe également un article simple en ligne sur la méthode de limitation de courant qui peut être référencé : https://www.ourpcb.com/current-limiting-resistor.html

Pour plus d'informations sur la commande du rétroéclairage LED à courant constant, consultez : https://www.orientdisplay.com/wp-content/uploads/2018/07/OrientDisplay-Backlight-Constant-Current-Driver.pdf

(2) Méthode de régulation de tension
Comme représenté sur la Figure 4Ce circuit est basé sur la figure 3, avec l'ajout d'un régulateur de tension intégré (MC7809). Celui-ci maintient la tension de sortie stable à 9 V, permettant ainsi à la résistance de limitation de courant de fonctionner. R être rendu très petit, ce qui évite l'instabilité de la tension à travers la LED.

Cependant, le rendement de ce circuit reste faible. La chute de tension aux bornes du MC7809 et de la résistance R1 étant encore importante, le rendement global n'est que d'environ 40%Pour obtenir un fonctionnement LED stable et une efficacité supérieure, des composants et des circuits limitant le courant à faible consommation doivent être utilisés pour améliorer les performances du système.

La méthode de régulation de tension linéaire présente les avantages suivants structure simple, peu de composants externes, efficacité moyenne et coût relativement faible.

Figure 4 Méthode de régulation de tension

(3) Méthode PWM
La modulation de largeur d'impulsion (PWM) contrôle la luminosité des LED en ajustant le rapport cyclique des impulsions de courant d'attaque. Cette technique de gradation allume et éteint le pilote LED de manière répétée grâce à de simples impulsions numériques. En fournissant des impulsions numériques de largeur variable, le courant de sortie peut être modulé, modifiant ainsi la luminosité d'une LED blanche.

La particularité de ce circuit de commande réside dans le transfert d'énergie vers la charge via une inductance. Généralement, un signal de commande PWM est utilisé pour activer et désactiver un transistor MOSFET. En faisant varier le rapport cyclique du signal PWM et le temps de charge/décharge de l'inductance, le rapport entre les tensions d'entrée et de sortie peut être régulé.

Les topologies de circuits courantes de ce type incluent convertisseurs buck, boost et buck-boostLes avantages de la méthode PWM sont haute efficacité et performances stables, mais ses inconvénients incluent bruit audible, coût plus élevé et conception plus complexe.

Figure 5. Circuit de commande de LED utilisant la méthode PWM

Comme représenté sur la Figure 5Le signal PWM est connecté via la base du transistor VQ1 à la grille d'un MOSFET à canal P. La grille du MOSFET à canal P est pilotée par un simple circuit d'amplification à transistor NPN, ce qui améliore la conduction du MOSFET et réduit la consommation d'énergie du circuit de pilotage.

Si le MOSFET est directement piloté par le circuit, ses commutations rapides peuvent provoquer des oscillations de la tension drain-source. Ceci peut entraîner interférences radioélectriques (RFI) et, dans certains cas, exposer le MOSFET à des tensions excessivement élevées, entraînant une panne et des dommages.

Pour résoudre ce problème, une résistance non inductive est insérée en série entre la grille du MOSFET commandé et la sortie du circuit de commande. Lorsque le signal PWM est à un niveau haut, le transistor VQ1 conduit, ramenant la tension de grille du MOSFET sous la tension de la source. Le MOSFET devient alors passant et la LED s'allume. Inversement, lorsque le signal PWM est à un niveau bas, VQ1 est coupé, le MOSFET se bloque et la LED s'éteint.

3. Solutions de circuits intégrés de pilotes LED

Les circuits intégrés de commande de rétroéclairage LED sont principalement utilisés dans les écrans LCD (téléviseurs, ordinateurs portables, téléphones portables, écrans automobiles, etc.) pour fournir un courant ou une tension constants aux modules LED. Leur objectif est d'assurer une luminosité uniforme, un rendement élevé et une longue durée de vie. Les topologies de pilotes les plus courantes incluent : pilotes boost (élévateur), buck (abaisseur), buck-boost et multicanaux à courant constant. Vous trouverez ci-dessous plusieurs catégories représentatives de circuits intégrés de pilote de rétroéclairage LED :

(1). Texas Instruments (TI)

• TPS61169: Pilote de courant constant boost monocanal, adapté aux écrans LCD de petite taille (par exemple, les téléphones portables).
• LP8556Prend en charge le contrôle I²C, la sortie multicanal (jusqu'à 6 canaux) et la gradation PWM/analogique. Largement utilisé dans les ordinateurs portables et les écrans automobiles.

(2). ON Semiconductor (maintenant onsemi)

• NCP3170 / NCP3170B: Pilotes buck à haute efficacité, adaptés aux écrans de petite à moyenne taille.
• PCI7685: Pilote à courant constant à 16 canaux, souvent utilisé dans le rétroéclairage et les tableaux de bord automobiles, doté d'une grande fiabilité et de fonctions de diagnostic.

(3). STMicroelectronics (ST)

• STLED524: Pilote de rétroéclairage LED multicanal avec interface I²C.
• L5973D:Convertisseur Boost DC-DC pour systèmes de rétroéclairage LED de moyenne puissance.

(4). Renesas Electronics

• SIL98611: Intègre des sorties de pompe de charge boost et positive/négative, conçues pour l'alimentation des smartphones et la conduite en rétroéclairage.
• SIL97900: Pilote de rétroéclairage LED multicanal avec adaptation de courant de haute précision.

(5). Fabricants chinois

• Macrobloc (série MBI): par exemple, MBI5030, axé sur les pilotes de grand écran et de rétroéclairage, largement utilisés dans les téléviseurs et les panneaux publicitaires.
• Salomon Systech:A publié des solutions de pilote de rétroéclairage LED pour les téléphones mobiles et les écrans de petite et moyenne taille.

6. Résumé

• Écrans de petite taille (téléphones, tablettes) : série TI TPS/LP, série Renesas ISL.
• Écrans moyens à grands (ordinateurs portables, moniteurs, téléviseurs) : Pilotes à courant constant multicanaux tels que TI LP8556, ST STLED524, Macroblock MBI series.
• Applications automobiles et industrielles:Exige une fiabilité et un contrôle multicanal, utilisant généralement la série NCV d'Onsemi.

4. Tableau comparatif des circuits intégrés de commande de rétroéclairage LED

5. Comparaison des paramètres clés des circuits intégrés de commande de rétroéclairage LED

Points de comparaison clés

1.      Nombre de canaux

o   Petits écrans → Canal unique (par exemple, TPS61169)

o   Écrans moyens / Automobile → 6 canaux (par exemple, LP8556, STLED524)

o   Grands écrans / Téléviseurs → 16 canaux ou plus (par exemple, NCV7685, MBI5030)

2.      Entraînement de la méthode

o   Boost (augmentation progressive) → Courant dans les smartphones et les tablettes, utilisé pour augmenter les basses tensions d'alimentation à des niveaux plus élevés pour piloter plusieurs LED en série.

o   Buck (descendant) → Mieux adapté aux sources d’alimentation haute tension alimentant moins de LED.

o   Courant constant multicanal → Assure l'uniformité de la luminosité, idéal pour le rétroéclairage des grands écrans.

3.      Interface de contrôle

o   PWM → Simple, largement utilisé dans les appareils mobiles.

o   I²C → Plus flexible, permet des courbes de courant, de tension et de gradation réglables.

o   SPI → Haut débit et multicanal, parfaitement adapté aux téléviseurs et aux écrans publicitaires.

6. Scénarios d'application recommandés pour les circuits intégrés de commande de rétroéclairage LED

• Écrans de petite taille (smartphones / tablettes) → Pilotes boost monocanal, par exemple, TI TPS61169, Renesas ISL98611
• Écrans de taille moyenne (ordinateurs portables / écrans automobiles) → Pilotes à courant constant multicanaux à 6 canaux, par exemple, TI LP8556, ST STLED524, Renesas ISL97900
• Écrans de grande taille (moniteurs / téléviseurs) → Pilotes à courant constant à 16 canaux ou plus, par exemple, Macrobloc MBI5030
• Scénarios spéciaux (affichage automobile / publicitaire) → Pilotes multicanaux haute fiabilité, par exemple, onsemi NCV7685, Série Macroblock MBI