1. Zasada działania diod LED

Przed zaprojektowaniem układu sterującego ważne jest zrozumienie działania diody LED. Jasność diody LED jest określana przede wszystkim przez jej napięcie przewodzenia (VF) i prąd przewodzenia (IF). Krzywa charakterystyki prądowo-napięciowej jest pokazana na rysunku 1. Tutaj, VF reprezentuje spadek napięcia przewodzenia, podczas gdy IF jest prądem przewodzenia.

Gdy przyłożone napięcie przewodzenia przekroczy poziom progowy (znany również jako napięcie włączenia, w tym przypadku wynoszący około 1.7 V), IF można uznać za niemal proporcjonalne do VFJak pokazano na rysunku, maksymalny prąd przewodzenia diody LED może osiągnąć 1 A, podczas gdy typowy zakres napięcia przewodzenia wynosi od około 2 V do 4 V.

Rysunek 1. Związek między VF i IF

Spadek napięcia przewodzenia diody LED może zmieniać się w stosunkowo szerokim zakresie (ponad 1 V). Z powyższej krzywej VF–IF jasno wynika, że ​​nawet niewielka zmiana VF może powodować duże wahania IF, co z kolei prowadzi do znacznych wahań jasności. Z tego powodu charakterystykę świetlną diod LED zazwyczaj opisuje się jako funkcję prądu, a nie napięcia.

Jednak w typowych obwodach prostowniczych napięcie wyjściowe zmienia się wraz ze zmianami napięcia sieci zasilającej. Oznacza to, że użycie źródła o stałym napięciu nie gwarantuje stałej jasności diod LED i może negatywnie wpłynąć na ich wydajność. Dlatego sterowniki LED są zazwyczaj projektowane do pracy jako źródła o stałym prądzie.

2. Techniki jazdy z diodami LED

Z zasady działania diod LED jasno wynika, że ​​aby utrzymać optymalną jasność, dioda LED musi być zasilana ze źródła prądu stałego. Rolą sterownika jest nie tylko zapewnienie stałoprądowej charakterystyki świecenia, ale również osiągnięcie niskiego zużycia energii.

Aby sprostać tym wymaganiom, do powszechnie stosowanych metod sterowania prądem należą:

• Regulacja wartości rezystora ograniczającego prąd w celu regulacji prądu.
• Zmiana napięcia odniesienia na rezystorze ograniczającym prąd w celu kontrolowania prądu.
• Regulacja prądu odbywa się za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM).

Techniki stosowane w sterownikach LED są bardzo podobne do tych stosowanych w zasilaczach impulsowych. Zasadniczo sterownik LED to rodzaj układu konwersji mocy, ale jego wyjście jest… prąd stały zamiast stałego napięcia. W każdych warunkach obwód musi dostarczać stabilny, średni prąd, a prąd tętnień musi mieścić się w określonym zakresie.

(1) Metoda ograniczająca prąd
Rysunek 2 przedstawia najprostszy obwód wykorzystujący metodę ograniczania prądu.

Rysunek 2. Najprostszy obwód metody ograniczającej prąd

Jak pokazano w Rysunek 3To tradycyjna konfiguracja obwodu. Napięcie sieciowe jest obniżane, prostowane i filtrowane, a następnie rezystor szeregowy ogranicza prąd, aby zapewnić stabilną pracę diody LED i podstawową ochronę.

Jednakże zasadniczą wadą tego podejścia jest to, że moc rozpraszana w rezystorze R bezpośrednio obniża sprawność systemu. W połączeniu ze stratami transformatora, ogólna sprawność systemu wynosi zaledwie około 50%. Co więcej, gdy napięcie zasilania waha się w granicach ±10%, prąd płynący przez diodę LED może się zmieniać o 25% lub więcej, a moc dostarczana do diody LED może się zmieniać o ponad 30%.

Główną zaletą ograniczania prądu rezystorowego jest jego prostota, niskie koszty i brak zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Mimo to wady są znaczące: jasność diody LED zmienia się wraz ze zmianami VF, wydajność jest bardzo niska, a rozpraszanie ciepła staje się poważnym problemem.

Rysunek 3. Tradycyjny obwód ograniczający prąd rezystorowy

Można również znaleźć w Internecie prosty artykuł na temat metody ograniczania prądu: https://www.ourpcb.com/current-limiting-resistor.html

Więcej informacji na temat stałego prądu zasilającego podświetlenie LED można znaleźć tutaj: https://www.orientdisplay.com/wp-content/uploads/2018/07/OrientDisplay-Backlight-Constant-Current-Driver.pdf

(2) Metoda regulacji napięcia
Jak pokazano w Rysunek 4Ten układ bazuje na rysunku 3, z dodatkiem zintegrowanego regulatora napięcia (MC7809). Dzięki temu napięcie wyjściowe utrzymuje się na stabilnym poziomie 9 V, co pozwala na zastosowanie rezystora ograniczającego prąd. R być bardzo małe, co zapobiega niestabilności napięcia na diodzie LED.

Jednak wydajność tego układu pozostaje niska. Ponieważ spadek napięcia zarówno na MC7809, jak i rezystorze R1 jest nadal znaczny, ogólna wydajność wynosi zaledwie około 40%Aby osiągnąć stabilną pracę diod LED i wyższą wydajność, należy stosować energooszczędne komponenty i obwody ograniczające prąd, co pozwoli na poprawę wydajności systemu.

Liniowa metoda regulacji napięcia ma następujące zalety: prosta konstrukcja, niewiele zewnętrznych komponentów, średnia wydajność i stosunkowo niski koszt.

Rysunek 4 Metoda regulacji napięcia

(3) Metoda PWM
Modulacja szerokości impulsu (PWM) steruje jasnością diod LED poprzez regulację współczynnika wypełnienia impulsów prądu sterującego. Ta technika ściemniania polega na wielokrotnym włączaniu i wyłączaniu sterownika LED za pomocą prostych impulsów cyfrowych. Poprzez dostarczanie impulsów cyfrowych o zmiennej szerokości, prąd wyjściowy może być modulowany, zmieniając w ten sposób jasność białej diody LED.

Cechą charakterystyczną tego układu sterującego jest to, że energia jest przekazywana do obciążenia za pośrednictwem cewki indukcyjnej. Zazwyczaj sygnał sterujący PWM służy do włączania i wyłączania tranzystora MOSFET. Zmieniając współczynnik wypełnienia sygnału PWM oraz czas ładowania/rozładowywania cewki indukcyjnej, można regulować stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego.

Do typowych topologii obwodów tego typu należą: przetwornice buck, boost i buck-boostZalety metody PWM to: wysoka wydajność i stabilna praca, ale jego wady obejmują słyszalny hałas, wyższy koszt i bardziej złożona konstrukcja.

Rysunek 5. Obwód sterujący diodą LED metodą PWM

Jak pokazano w Rysunek 5Sygnał PWM jest podłączony przez bazę tranzystora VQ1 do bramki tranzystora MOSFET z kanałem P. Bramka tranzystora MOSFET z kanałem P jest sterowana prostym układem wzmacniającym tranzystor NPN, co usprawnia proces przewodzenia tranzystora MOSFET i zmniejsza pobór mocy przez układ sterujący.

Jeśli MOSFET jest sterowany bezpośrednio przez obwód, szybkie włączanie i wyłączanie MOSFET-u może powodować oscylacje napięcia dren-źródło. Może to prowadzić do zakłócenia częstotliwości radiowej (RFI) a w niektórych przypadkach narażać MOSFET na nadmiernie wysokie napięcia, co może powodować przebicie i uszkodzenie.

Aby rozwiązać ten problem, między bramkę tranzystora MOSFET sterowanego a wyjście układu sterującego włączono szeregowo rezystor bezindukcyjny. Gdy sygnał PWM ma wysoki poziom, tranzystor VQ1 przewodzi, obniżając napięcie bramki tranzystora MOSFET poniżej napięcia źródła. W rezultacie tranzystor MOSFET włącza się, a dioda LED świeci. I odwrotnie, gdy sygnał PWM ma niski poziom, tranzystor VQ1 zostaje odcięty, tranzystor MOSFET gaśnie, a dioda LED gaśnie.

3. Rozwiązania układów scalonych sterowników LED

Układy scalone sterowników podświetlenia LED są stosowane głównie w wyświetlaczach LCD (telewizorach, laptopach, telefonach komórkowych, ekranach samochodowych itp.) w celu zapewnienia stałego prądu lub stałego napięcia dla modułów LED. Ich celem jest zapewnienie równomiernej jasności, wysokiej wydajności i długiej żywotności. Typowe topologie sterowników obejmują: wzmacniacze podwyższające (step-up), obniżające (buck-down), obniżające napięcie i wielokanałowe sterowniki stałoprądowePoniżej przedstawiono kilka reprezentatywnych kategorii układów scalonych sterowników podświetlenia LED:

(1). Texas Instruments (TI)

• TPS61169:Jednokanałowy sterownik stałoprądowy, odpowiedni do małych wyświetlaczy LCD (np. w telefonach komórkowych).
• LP8556Obsługuje sterowanie I²C, wyjście wielokanałowe (do 6 kanałów) oraz ściemnianie PWM/analogowe. Szeroko stosowany w laptopach i wyświetlaczach samochodowych.

(2). ON Semiconductor (obecnie onsemi)

• NCP3170 / NCP3170B:Wysokowydajne sterowniki obniżające napięcie, przeznaczone do małych i średnich ekranów.
• NCV7685:16-kanałowy sterownik prądu stałego, często stosowany w podświetleniu samochodów i deskach rozdzielczych, charakteryzujący się wysoką niezawodnością i funkcjami diagnostycznymi.

(3). STMicroelectronics (ST)

• STLED524:Wielokanałowy sterownik podświetlenia LED z interfejsem I²C.
• L5973D:Konwerter DC-DC podwyższający moc do systemów podświetlania LED o średniej mocy.

(4). Renesas Electronics

• ISL98611:Integruje wyjścia pompy ładowania dodatniego/ujemnego, przeznaczone do zasilania smartfonów i sterowania podświetleniem.
• ISL97900:Wielokanałowy sterownik podświetlenia LED z precyzyjnym dopasowaniem prądu.

(5). Producenci z Chin

• Macroblock (seria MBI): np. MBI5030, przeznaczony do sterowników dużych wyświetlaczy i podświetlenia, szeroko stosowany w telewizorach i panelach reklamowych.
• Systemy Solomona:Wprowadziła na rynek rozwiązania w zakresie sterowników podświetlenia LED dla telefonów komórkowych i małych i średnich wyświetlaczy.

6. Podsumowanie

• Ekrany małych rozmiarów (telefony, tablety): seria TI TPS/LP, seria Renesas ISL.
• Ekrany średnie i duże (laptopy, monitory, telewizory): Wielokanałowe sterowniki prądu stałego, takie jak TI LP8556, ST STLED524, seria Macroblock MBI.
• Zastosowania motoryzacyjne i przemysłowe: Wymaga niezawodności i sterowania wielokanałowego, zazwyczaj przy użyciu serii onsemi NCV.

4. Tabela porównawcza układów scalonych sterowników podświetlenia LED

5. Porównanie kluczowych parametrów układów scalonych sterowników podświetlenia LED

Kluczowe punkty porównawcze

1.      Liczba kanałów

o   Małe ekrany → Jednokanałowy (np. TPS61169)

o   Ekrany średnie / Motoryzacja → 6-kanałowy (np. LP8556, STLED524)

o   Duże ekrany / Telewizory → 16 lub więcej kanałów (np. NCV7685, MBI5030)

2.      Sposób jazdy

o   Boost (wzrost) → Stosowane powszechnie w smartfonach i tabletach, w celu podniesienia niskiego napięcia zasilania do wyższego poziomu w celu sterowania wieloma diodami LED w układzie szeregowym.

o   Buck (obniżenie) → Lepiej nadaje się do źródeł zasilania wysokiego napięcia zasilających mniejszą liczbę diod LED.

o   Wielokanałowy prąd stały → Zapewnia jednolitą jasność, idealną do podświetlania dużych ekranów.

3.      control Interface

o   PWM → Prosty, powszechnie stosowany w urządzeniach mobilnych.

o   I²C → Większa elastyczność, umożliwia regulację prądu, napięcia i krzywych ściemniania.

o   SPI → Wysoka prędkość i wielokanałowość, idealne do telewizorów i wyświetlaczy reklamowych.

6. Zalecane scenariusze zastosowań układów scalonych sterowników podświetlenia LED

• Ekrany małego rozmiaru (smartfony/tablety) → Sterowniki boost jednokanałowe, np. TI TPS61169, Renesas ISL98611
• Ekrany średniej wielkości (laptopy / wyświetlacze samochodowe) → 6-kanałowe wielokanałowe sterowniki stałoprądowe, np. TI LP8556, ST STLED524, Renesas ISL97900
• Ekrany wielkoformatowe (monitory / telewizory) → Sterowniki stałoprądowe 16-kanałowe lub wyższe, np. Makroblok MBI5030
• Scenariusze specjalne (wyświetlacze motoryzacyjne/reklamowe) → Sterowniki wielokanałowe o wysokiej niezawodności, np. onsemi NCV7685, Seria Macroblock MBI