Figura 1: Aplicație tipică pentru un convertor DC-DC ridicător de tensiune
Un convertor DC-DC ridicător de tensiune, compact, de randament ridicat, frecvență fixă optimizat ca generator de curent constant pentru o diodă cu emisie luminoasă (LED) poate oferi o sursă de tensiune ușor de utilizat, cu un număr mic de componente externe, pentru aplicații alimentate de la una sau două baterii alcaline, NiCd și NiMH. Acesta poate fi integrat în diferite aplicații de la un driver de bază pentru un LED, alimentat de o baterie alcalină cu o celulă, NiMH sau NiCd, până la multiple LED-uri infraroșii, albe și RGB.
Un exemplu de asemenea dispozitiv este MCP1643 de la Microchip Technology. Acesta este un dispozitiv cu modulare în lățimea pulsului, care operează la o frecvență de comutație fixă de 1MHz. Figura 1 prezintă dispozitivul utilizat ca simplu convertor DC-DC ridicător de tensiune, sursă simplă de curent ce utilizează o rezistență (RSET) pentru a regla curentul dorit. Tensiunea de intrare determină curentul maxim pe LED. Dispozitivul are o tensiune de intrare de operare de la 0.5 la 5V cu o tensiune de pornire de 0.65V.
Pentru o baterie complet încărcată curentul maxim stabilizat pe LED este de 450mA. Prin comparație cu bateriile alcaline NiMH și NiCd tensiunea nominală este mai mică, astfel încât curentul maxim livrat de dispozitiv va fi, de asemenea, mai mic, în jur de 350mA. Dispozitivul va continua să furnizeze până la 150mA chiar și atunci când bateriile sunt aproape descărcate. Bineînțeles, există unele constrângeri privind limitele maxime și minime ale curentului de sarcină și în cazul driverelor de curent LED.
Curentul de ieșire pe LED este stabilizat atât timp cât VIN este mai mică decât VOUT cu 300 până la 400mV, datorită topologiei ridicătoare de tensiune. Curentul maxim de sarcină este determinat de limita curentului de intrare, care este de 1.8A. În cazul în care curentul pe LED-ul selectat forțează o intrare mai mare decât curentul maxim de vârf al dispozitivului, curentul pe LED nu va mai fi stabilizat și va fluctua cu tensiunea de intrare. Bateria va trebui, de asemenea, să fie capabilă să susțină cantitatea de curent necesară pentru convertor. Curentul minim de ieșire pe LED pe care dispozitivul îl poate stabiliza este de 20mA.
Figura 2: Teoria operării
Driver LED cu o celulă
Una dintre cele mai simple aplicații este un driver LED de curent constant cu un curent selectabil stabilit prin modificarea valorii rezistenței de detecție. Pentru 2.4Ω, curentul stabilit este de 50mA și poate fi crescut la 100 și 150mA prin conectarea de rezistențe de detecție în paralel.
Dispozitivul permite reglarea strălucirii prin modulare în lățimea pulsului (PWM) prin aprinderea / stingerea LED-ului cu un semnal PWM cu factor de umplere variabil aplicat pe pinul EN.
Frecvența maximă pentru reglare este limitată de pornirea lină internă, tipic, de 240μs. Prin varierea factorului de umplere a semnalului PWM aplicat pe intrarea EN, curentul mediu prin LED se schimbă liniar, iar intensitatea luminoasă se schimbă în consecință.
Două drivere LED în serie
Dispozitivul poate fi, de asemenea, utilizat pentru a comanda două LED-uri în serie. Totuși, tensiunea maximă este limitată de protecția la supratensiune care restricționează tensiunea de ieșire la 5V. Din cauza acestei protecții, dispozitivul poate gestiona două LED-uri de joasă tensiune, precum unul infraroșu pentru comandă de la distanță și unul roșu, dar nu poate gestiona LED-uri de tensiune ridicată, precum alb și albastru.
Driver LED paralel
Dispozitivul are un curent maxim de ieșire de 550mA. Pentru a beneficia de acest avantaj, cele două LED-uri de curent scăzut pot fi legate în paralel. Numărul maxim de LED-uri este determinat de curentul de ieșire maxim al convertorului (550mA) divizat prin curentul nominal pe LED. De exemplu, în cazul în care curentul nominal pe LED este de 50mA, pot fi utilizate în consecință până la 11 LED-uri. Același număr de rezistențe cu valori identice sunt, de asemenea, necesare. O pereche, constând dintr-un LED și o rezistență, este utilizată pentru a stabili valoarea curentului în dispozitiv. Următoarea pereche va fi controlată de curentul primei perechi.
Această aplicație este potrivită pentru dispozitivele portabile cu iluminare din spate, unde rezistențele SMD de joasă putere sunt aranjate în linie pentru iluminarea afișajului LCD. Această metodă economică și cu număr mic de componente înlocuiește necesitatea unui convertor ridicător de tensiune de înaltă tensiune și curent constant, care ar putea necesita un inductor mare și ar putea ocupa mult spațiu pe placa PCB.
Sisteme embedded
Un LED RGB este realizat din 3 LED-uri (roșu, verde și albastru) cu catod sau anod comun, care pot fi comandate simultan sau câte unul pentru a forma orice culoare din spectrul vizibil. Fiecare culoare a LED-ului are o tensiune directă diferită, astfel încât este nevoie de o sursă de curent pentru a comanda independent fiecare LED.
Convertorul DC-DC MCP1643 poate fi utilizat atât ca sursă de curent pentru LED-uri RGB de mare putere, cât și ca sursă de tensiune pentru un microcontroler. Puterea poate fi asigurată de o baterie AA cu o singură celulă.
Dispozitivul are un curent de ieșire maxim de 550mA, dar numai o singură ieșire. Pentru a comanda trei LED-uri independent, acesta trebuie să fie comandat de un microcontroler. Utilizând un timp de start lin de 240μs, ieșirea poate fi multiplexată pentru fiecare culoare fără vreo depășire de curent pentru a frecvență LED de 70Hz. Calea de curent a LED-ului trebuie schimbată prin tranzistoare externe pentru a alimenta individual fiecare LED.
În această aplicație, dispozitivul poate, de asemenea, să fie utilizat pentru o perioadă scurtă ca sursă de tensiune prin deconectarea LED-urilor și a rezistenței de reacție și controlând tensiunea de reacție cu un divizor de tensiune pentru a crește tensiunea de ieșire la o valoare fixă de 4V.
Considerând că dispozitivul este utilizat pentru a comanda trei LED-uri și pentru alimentarea sistemului de control, cipul va fi activat la o frecvență de aproximativ 300Hz (aproximativ de patru ori 70Hz).
Pentru utilizarea dispozitivului ca un controler pentru LED-uri multiple, independente, trebuie întrunite câteva condiții:
• Ieșirea trebuie mutată de la un LED la altul, cu aceeași rezistență de reacție.
• Dispozitivul trebuie să fie dezactivat și activat din nou, de fiecare dată când controlerul își schimbă calea de curent.
• Tensiunea de ieșire trebuie să cadă pentru a preveni orice depășire de curent atunci când se schimbă pentru o culoare LED diferită.
Pentru a atinge această funcționalitate este necesar un microcontroler PIC®. Figura 2 prezintă temporizarea semnalelor de control.
Semnalele verde, albastru și roșu sunt tensiuni de poartă ale tranzistoarelor. Aceste tranzistoare sunt utilizate pentru a schimba calea de curent a fiecărei culori. După ce primesc semnal de comandă (tensiune poartă), tranzistoarele vor conduce, iar culoarea corespunzătoare va forma o buclă închisă de curent cu driver-ul de LED. Semnalul de activare este sincronizat cu aceste semnale de poartă și are o perioadă de activare adițională atunci când nu este comandat niciun LED. Pe durata acestei perioade, tensiunea de ieșire crește la o tensiune fixă, iar dispozitivul se comportă ca o sursă de tensiune.
Trebuie acordată importanță ordinii semnalelor de activare. Pornirea dispozitivului fără conectarea LED-urilor la ieșirea sa va cauza creșterea tensiunii de ieșire la un maxim de 5V. Dacă LED-ul este apoi conectat în circuit, condensatorul de ieșire se va descărca necontrolat pe LED-ul care, apoi, va fi distrus.
Timpii morți între semnalele de activare sunt diferiți din cauza diferenței de tensiune directe pe LED. Pentru tranziții de tensiune pozitivă, de la tensiune joasă la tensiune ridicată, timpul mort poate fi eliminat, dar nu este recomandat să se facă acest lucru.
Figura 3: Schema electrică a plăcii demonstrative de driver LED RGB
Sursă de tensiune DC-DC
Pentru a utiliza dispozitivul ca sursă de tensiune, sunt necesare câteva componente externe. Trebuie adăugat un tranzistor pentru a deconecta rezistența de reacție de la bucla de reacție a driverului de curent, iar un divizor de tensiune în bucla de reacție poate crește tensiunea la un nivel potrivit pentru controlul sistemului. Atunci când LED-urile nu sunt conectate, dar dispozitivul este activat, tensiunea de ieșire crește la aproximativ 4V într-o perioadă scurtă de timp.
Din cauza multiplexării, tensiunea microcontrolerului PIC nu este stabilizată și va cădea în timp, în funcție de frecvența de multiplexare, cantitatea de energie stocată și consumul energetic al sistemului de control.
Dacă este nevoie de o tensiune mai stabilizată, dispozitivul poate fi urmat de un LDO. De exemplu, dacă este necesară o sursă de 3.3V, poate fi utilizat un stabilizator cu cădere mică de tensiune de curent redus (LDO), precum MCP1702, iar tensiunea de ieșire a MCP1643 ar trebui să fie stabilită la mai mult de 3.6V. Căderea de tensiune nu va influența funcționalitatea microcontrolerului cu o sursă de tensiune de la 2.3 la 5V.
Pentru a evita interferența cu tensiunile de control ale LED-urilor, este nevoie de componente suplimentare. O diodă Schottky poate preveni ca orice tensiune să se întoarcă în LED, iar un condensator poate stoca energie atunci când dispozitivul comandă LED-urile.
Pe lângă faptul că nu este nevoie de un alt convertor DC-DC pentru controlul sistemului, această abordare are și un alt avantaj. Atunci când convertorul este oprit, microcontrolerul este de asemenea oprit. Întregul sistem va utiliza doar un curent de închidere tipic de 1.2μA. Sistemul poate fi repornit fie manual prin activarea dispozitivului – care va alimenta automat și microcontrolerul – fie printr-o sursă de tensiune externă aplicată microcontrolerului pentru cel puțin 100ms. Figura 3 prezintă schema electrică a unei plăci demonstrative de comandă LED RGB. Schema este divizată în blocuri care arată funcționalitatea fiecărei părți a sistemului.
Layout-ul PCB trebuie realizat ținând cont de regulile generale ale convertoarelor DC-DC: traseele de putere care transportă cea mai mare cantitate de curent trebuie să fie cât mai scurte posibil și nu trebuie să treacă pe sub sau în apropierea oricăror trasee de semnal senzorial sau de mare impedanță. Nodul de comutație trebuie să fie, de asemenea, cât de scurt posibil pentru a scădea interferența. Condensatoarele de intrare și de ieșire trebuie să fie cât de aproape posibil de convertor, iar utilizarea unui plan de referință de masă este recomandată.
Pentru dispozitivele care au tendința să se încălzească, trebuie adăugate mai multe căi către planul de cupru pentru a ajuta la disiparea căldurii.
Concluzie
MCP1643 este un convertor driver LED DC-DC, versatil, sincron, ridicător de tensiune proiectat pentru aplicații alimentate de la o celulă de baterie alcalină, cu tensiune de pornire redusă și capabilitate de curent ridicată. Curentul de mod de așteptare redus (închidere) de 1.2μA crește durata de viață a bateriei atunci când nu este în uz, în vreme ce numărul mic de componente și suprafața redusă a PCB-ului permite utilizatorului aplicații mai mici și mai portabile. Proiectarea convertoarelor DC-DC cu dispozitivul este directă și, prin atașarea la un microcontroler, proiectul devine mai versatil și mai prietenos cu utilizatorul.
Microchip Technology | www.microchip.com
