1. Princípio de funcionamento dos LEDs

Antes de projetar um circuito driver, é importante entender como um LED funciona. O brilho de um LED é determinado principalmente por sua tensão direta (VF) e corrente direta (IF). A curva característica corrente-tensão é mostrada na Figura 1. Aqui, VF representa a queda de tensão direta, enquanto IF é a corrente direta.

Uma vez que a tensão direta aplicada excede o nível limite (também conhecido como tensão de ativação, aproximadamente 1.7 V neste caso), IF pode ser considerado quase proporcional a VF. Conforme ilustrado na figura, a corrente direta máxima de um LED pode atingir até 1 A, enquanto a faixa típica de tensão direta é de cerca de 2 V a 4 V.

Figura 1. Relação entre VF e IF

A queda de tensão direta de um LED pode variar em uma faixa relativamente ampla (mais de 1 V). A partir da curva VF-IF mostrada acima, fica claro que mesmo uma pequena mudança em VF pode causar uma grande variação em IF, o que, por sua vez, leva a flutuações significativas no brilho. Por esse motivo, as características luminosas dos LEDs são geralmente descritas como uma função da corrente e não da tensão.

No entanto, em circuitos retificadores típicos, a tensão de saída flutua com as variações na tensão de alimentação da rede elétrica. Isso significa que o uso de uma fonte de tensão constante não garante o brilho consistente do LED e pode afetar negativamente o desempenho do LED. Portanto, os drivers de LED geralmente são projetados para operar como fontes de corrente constante.

2. Técnicas de condução de LED

A partir do princípio de funcionamento dos LEDs, fica claro que, para manter o brilho ideal, um LED deve ser acionado por uma fonte de corrente constante. O papel do driver não é apenas garantir essa característica de corrente constante, mas também atingir o baixo consumo de energia.

Para atender a esses requisitos, os métodos comumente usados ​​de controle de corrente incluem:

• Ajustar o valor de um resistor limitador de corrente para regular a corrente.
• Variando a tensão de referência através do resistor limitador de corrente para controlar a corrente.
• Usando PWM (Modulação por Largura de Pulso) para obter regulação de corrente.

As técnicas empregadas em drivers de LED são muito semelhantes às utilizadas em fontes de alimentação chaveadas. Em essência, um driver de LED é um tipo de circuito de conversão de energia, mas sua saída é um Corrente constante em vez de uma tensão constante. Em todas as condições, o circuito deve fornecer uma corrente média estável, com corrente de ondulação mantida dentro de uma faixa especificada.

(1) Método de limitação de corrente
A Figura 2 mostra o circuito mais simples que utiliza o método de limitação de corrente.

Figura 2. Circuito mais simples do método de limitação de corrente

Como mostrado em Figura 3, esta é a configuração tradicional do circuito. A tensão da rede elétrica é reduzida, retificada e filtrada, e um resistor em série é usado para limitar a corrente, mantendo o LED operando de forma estável e fornecendo proteção básica.

Entretanto, a desvantagem fatal desta abordagem é que a potência dissipada no resistor R reduz diretamente a eficiência do sistema. Combinado com as perdas do transformador, a eficiência geral do sistema é de apenas cerca de 50%. Além disso, quando a tensão de alimentação oscila dentro de ±10%, a corrente através do LED pode variar em 25% ou mais, e a potência fornecida ao LED pode mudar em mais de 30%.

A principal vantagem da limitação de corrente do resistor é sua simplicidade, baixo custo e ausência de interferência eletromagnética (EMI). No entanto, suas desvantagens são significativas: o brilho do LED muda com as variações de VF, a eficiência é muito baixa e a dissipação de calor se torna um problema sério.

Figura 3. Circuito limitador de corrente de resistor tradicional

Também há um artigo simples on-line sobre o método de limitação de corrente que pode ser referenciado: https://www.ourpcb.com/current-limiting-resistor.html

Para obter mais informações sobre o acionamento da luz de fundo LED de corrente constante, consulte: https://www.orientdisplay.com/wp-content/uploads/2018/07/OrientDisplay-Backlight-Constant-Current-Driver.pdf

(2) Método de regulação de tensão
Como mostrado em Figura 4, este circuito é baseado na Figura 3, com a adição de um regulador de tensão integrado (MC7809). Isso mantém a tensão de saída essencialmente estável em 9 V, permitindo que o resistor limitador de corrente R para ser feito muito pequeno, o que evita instabilidade de tensão no LED.

No entanto, a eficiência deste circuito permanece baixa. Como a queda de tensão no MC7809 e no resistor R1 ainda é significativa, a eficiência geral é de apenas cerca de 40%. Para obter uma operação de LED estável e maior eficiência, componentes e circuitos limitadores de corrente de baixa potência devem ser usados ​​para melhorar o desempenho do sistema.

O método de regulação de tensão linear tem as vantagens de estrutura simples, poucos componentes externos, eficiência média e custo relativamente baixo.

Figura 4 Método de regulação de tensão

(3) Método PWM
A modulação por largura de pulso (PWM) controla o brilho do LED ajustando o ciclo de trabalho dos pulsos de corrente de acionamento. Essa técnica de escurecimento liga e desliga repetidamente o driver do LED usando pulsos digitais simples. Ao fornecer pulsos digitais de largura variável, a corrente de saída pode ser modulada, alterando assim o brilho de um LED branco.

A característica distintiva deste circuito de acionamento é que a energia é transferida para a carga através de um indutor. Normalmente, um sinal de controle PWM é usado para ligar e desligar um transistor MOSFET. Variando o ciclo de trabalho do sinal PWM e o tempo de carga/descarga do indutor, a relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída pode ser regulada.

Topologias de circuito comuns deste tipo incluem conversores buck, boost e buck-boost. As vantagens do método PWM são alta eficiência e desempenho estável, mas suas desvantagens incluem ruído audível, custo mais alto e design mais complexo.

Figura 5. Circuito de acionamento de LED usando o método PWM

Como mostrado em Figura 5O sinal PWM é conectado através da base do transistor VQ1 à porta de um MOSFET de canal P. A porta do MOSFET de canal P é acionada por um circuito de amplificação de transistor NPN simples, o que melhora o processo de condução do MOSFET e reduz a potência consumida pelo circuito driver.

Se o MOSFET for acionado diretamente pelo circuito, a rápida ativação e desativação do MOSFET pode causar oscilações na tensão dreno-fonte. Isso pode levar a interferência de radiofrequência (RFI) e, em alguns casos, expor o MOSFET a tensões excessivamente altas, resultando em quebra e danos.

Para resolver esse problema, um resistor não indutivo é inserido em série entre a porta do MOSFET acionado e a saída do circuito driver. Quando o sinal PWM está em um nível alto, o transistor VQ1 conduz, puxando a tensão da porta do MOSFET para um nível abaixo da tensão da fonte. Como resultado, o MOSFET liga e o LED acende. Por outro lado, quando o sinal PWM está em um nível baixo, o VQ1 é cortado, o MOSFET desliga e o LED apaga.

3. Soluções de CI de driver de LED

Os CIs de driver de retroiluminação LED são usados ​​principalmente em telas LCD (televisores, laptops, celulares, telas automotivas, etc.) para fornecer corrente ou tensão constante aos módulos de LED. Sua finalidade é garantir brilho uniforme, alta eficiência e longa vida útil. Topologias comuns de driver incluem boost (aumento), buck (redução), buck-boost e drivers de corrente constante multicanal. Abaixo estão algumas categorias representativas de CIs de driver de retroiluminação LED:

(1). Texas Instruments (TI)

• TPS61169: Driver de corrente constante de reforço de canal único, adequado para LCDs de tamanho pequeno (por exemplo, celulares).
• LP8556: Suporta controle I²C, saída multicanal (até 6 canais) e escurecimento PWM/analógico. Amplamente utilizado em laptops e monitores automotivos.

(2). ON Semiconductor (agora onsemi)

• NCP3170 / NCP3170B: Drivers buck de alta eficiência, adequados para telas de tamanho pequeno a médio.
• NCV7685: Driver de corrente constante de 16 canais, frequentemente usado em iluminação de fundo e painéis automotivos, apresentando alta confiabilidade e funções de diagnóstico.

(3). STMicroeletrônica (ST)

• STLED524: Driver de retroiluminação LED multicanal com interface I²C.
• L5973D: Conversor DC-DC Boost para sistemas de retroiluminação LED de média potência.

(4). Renesas Eletrônicos

• ISL98611: Integra saídas de reforço e bomba de carga positiva/negativa, projetadas para alimentação de smartphones e acionamento por luz de fundo.
• ISL97900: Driver de retroiluminação LED multicanal com correspondência de corrente de alta precisão.

(5) Fabricantes da China

• Macrobloco (série MBI): por exemplo, MBI5030, focado em drivers de tela grande e luz de fundo, amplamente utilizado em TVs e painéis de publicidade.
• Salomão Systech: Lançou soluções de driver de retroiluminação LED para celulares e telas pequenas e médias.

6. Resumo

• Telas de tamanho pequeno (telefones, tablets): série TI TPS/LP, série Renesas ISL.
• Telas médias a grandes (laptops, monitores, TVs): Drivers de corrente constante multicanal, como TI LP8556, ST STLED524, série Macroblock MBI.
• Aplicações automotivas e industriais: Requerem confiabilidade e controle multicanal, normalmente usando a série onsemi NCV.

4. Tabela de comparação de CIs de driver de retroiluminação LED

5. Comparação de parâmetros principais de CIs de driver de retroiluminação LED

Principais pontos de comparação

1.      Número de canais

o   Telas pequenas → Canal único (por exemplo, TPS61169)

o   Telas médias / Automotivo → 6 canais (por exemplo, LP8556, STLED524)

o   Telas grandes / Televisões → 16 canais ou mais (por exemplo, NCV7685, MBI5030)

2.      Método de condução

o   Aumentar (aumentar) → Comum em smartphones e tablets, usado para elevar tensões de alimentação baixas para níveis mais altos para acionar vários LEDs em série.

o   Buck (rebaixamento) → Mais adequado para fontes de alimentação de alta tensão que acionam menos LEDs.

o   Corrente constante multicanal → Garante uniformidade de brilho, ideal para retroiluminação de telas grandes.

3.      interface de controle

o   PWM → Simples, amplamente utilizado em dispositivos móveis.

o   I²C → Mais flexível, permite curvas de corrente, tensão e escurecimento ajustáveis.

o   SPI → Alta velocidade e multicanal, ideal para TVs e displays de publicidade.

6. Cenários de aplicação recomendados para CIs de driver de retroiluminação LED

• Telas pequenas (smartphones / tablets) → Drivers de reforço de canal único, por exemplo, TI TPS61169, Renesas ISL98611
• Telas de tamanho médio (laptops / monitores automotivos) → Drivers de corrente constante multicanal de 6 canais, por exemplo, TI LP8556, ST STLED524, Renesas ISL97900
• Telas grandes (monitores / TVs) → Drivers de corrente constante de 16 canais ou mais, por exemplo, Macrobloco MBI5030
• Cenários especiais (displays automotivos/publicitários) → Drivers multicanal de alta confiabilidade, por exemplo, onsemi NCV7685, Série Macroblock MBI