Драйверы мощных светодиодов без внешних силовых ключей

Alfredo H Saab, Steve Logan, Радиолоцман №3-4/2024, ст. 92

Поскольку последние поколения светоди­одов достигли высоких уровней мощности и эффективности, сфера использования этих устройств расширилась и включает фонари, автомобильные приложения и окружающее освещение, долгое время являвшееся исключительной областью применения ламп накаливания и люминесцентных ламп. Луч­шим способом питания светодиодов являет­ся источник тока. Поскольку большинство источников энергии, включая аккумуляторы, генераторы и промышленные сети, являются источниками напряжения, а не тока, светоди­оды требуют установки электронной схемы между ними и источником питания. Эта схема может быть совсем простой и состоять из единственного последовательного резисто­ра, но лучшим выбором, учитывая КПД и дру­гие факторы, является высокоэффективный источник тока, питаемый напряжением. Для светодиодов с током более 0.35 А лучшим выбором обычно является индуктивный им­пульсный регулятор.

В этой стать представлено несколько схем на основе микросхем импульсных стабилиза­торов, основными целевыми характеристи­ками которых являются высокий КПД и мини­атюрность. Разработчики схем достигают этих целей, минимизируя использование крупных компонентов, таких как внешние силовые транзисторы, коммутаторы, конден­саторы большой емкости и токоизмерительные резисторы, обеспечивая при этом высо­кую и постоянную интенсивность света в мак­симально широком диапазоне напряжений.

Схемы на Рисунках 1,2 и 3 подходят для приложений, в которых источник питания состоит из трех или четырех щелочных, NiMH (никель-металлогидридных) или NiCd (ни- кель-кадмиевых) элементов. Схемы на Рисунках 4 и 5 предназначены для транспор­тных приложений, в которых номинальное напряжение системы распределения пита­ния составляет 12, 24 или 42 В. Схемы на Рисунках 4 и 5 также полезны в промышлен­ных системах, включающих распределитель­ную линию 24 В для управляющих и аварий­ных подсистем, а также в телекоммуникаци­онных приложениях, в которых питание сис­темы распределяется по линии -48 В.

Разработчики этих схем основывали их на общей для всех концепции: интегральный импульсный стабилизатор и микромощный операционный усилитель. Операционный усилитель управляет входом обратной связи FB микросхемы, поддерживая на нем напря- жение1.25 В. Хотя этот вход ориентирован на стандартную топологию стабилизатора напряжения, операционный усилитель управляет им, используя гораздо меньшее напряжение токоизмерительного резистора, при немного другой топологии стабилизатора тока. Ни одна из схем не требует использова­ния внешних силовых ключей. Конструкция позволяет отказаться от применения конден­саторов фильтра большой емкости, которые обычно используются в импульсных стабили­заторах, поскольку отсутствует необходимость сглаживания высокочастотных пульса­ций тока светодиода. Общей для всех схем является возможность добавления регули­ровки яркости путем подачи регулируемого смещения на вход операционного усилителя через резистор и потенциометр, питающийся от внутреннего регулятора — вывода VD или CVL, в зависимости от типа микросхемы.

Высокочастотный импульсный преобразо­ватель питает основную схему регулятора тока светодиодов (Рисунок 1). Он работает с входным напряжением от 3.6 до 6.5 В, стаби­лизирует ток одного светодиода до 1 А и использует токоизмерительный резистор для управления контуром стабилизации тока. Схема на Рисунке 2 аналогична, но вместо токоизмерительного резистора в ней в качес­тве датчика тока используется паразитное сопротивление дросселя. Как и схема на Рисунке 1, она работает с входным напряже­нием от 3.6 до 6.5 В и питает один светодиод током до 1 А.

Для схемы с одним светодиодом на Рисун­ке 3 входной диапазон определяется пуско­вым напряжением MAX1685, которое состав­ляет всего 2.7 В. Ее максимальный ток составляет 0.5 А, в отличие от 1 А для схем на Рисунках 1 и 2. Верхний рабочий предел оста­ется равным 6.5 В. Когда эта схема работает, она поддерживает питание светодиода даже при входном напряжении всего 1.7 В. Облас­ти применения схем на Рисунках 1-3 включа­ют автомобильные фары, фонари и любые другие портативные источники света, питаю­щиеся от трех или четырех щелочных бата­рей, трех или четырех NiMH/NiCd аккумуля­торов или одного литиевого аккумулятора.

Схемы на Рисунках 4 и 5 работают в диапа­зоне напряжений от 8 до 50 В. Если предполо­жить, что система работает от 12 В, и номина­лы всех ее компонентов определены пра­вильно, эти схемы могут выдерживать сбро­сы нагрузки, благодаря тому, что значение максимально допустимого напряжения на выводе питания VIN микросхемы составляет 76 В. Максимально доступный ток составляет 1 А; схемы могут обеспечивать питание до трех последовательно включенных светодио­дов, при условии увеличения нижней границы рабочего диапазона напряжений до 11.5 В. Эти две схемы аналогичны, за исключением того, что на Рисунке 5 в качестве датчика тока используется сопротивление дросселя. Недостатком такого использования сопротив­ления дросселя является значительная завизави­симость выходного тока от температуры, обусловленная большим температурным коэффициентом удельного сопротивления меди. Обмотка дросселя изготовлена из меди, и ее сопротивление постоянному току в приближении первого порядка имеет темпе­ратурный коэффициент 0.39 %/°С. В резуль­тате регулируемый ток уменьшается пример­но на 4% на каждые 10 °C повышения рабо­чей температуры.