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無線電子工学および電気工学の百科事典 高輝度 LED ドライバーマイクロ回路。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
LEDを点灯させるのは難しくなく、制限抵抗を介して電源に直接接続するだけで十分です。 しかし、この方法は制限抵抗で大きな電圧降下が発生し、損失が大きくなるため、非常に不経済です。 さらに、このような異物があると、LED を流れる電流とその発光の明るさが非常に不安定になります。 LED の輝きの効率と安定性を高めるために、特殊なマイクロ回路上のドライバーが使用されます。 この記事では、そのうちのいくつかについて説明します。 著者は、Monolithic Power Systems (MPS) の多数のドライバー チップを検討しています。 DC/DCコンバーターによるドライバーチップの分類 超高輝度 LED に電力を供給するためのドライバー チップは、LED 懐中電灯から携帯電話、デジタル カメラ、コンピューターなどに至るまで、さまざまな複雑さのデバイスに搭載されています。 LED の最も一般的な用途の 90 つは、LCD ディスプレイの LED バックライト回路です。 自己電源型デバイスのドライバーは通常、高い効率 (XNUMX% 以上) を備えています。 これらは、調整可能なスイッチング DC/DC ブーストまたはバックブースト コンバータです。 電圧ブースト回路を備えたいわゆる容量性ドライバーと誘導性ドライバーがあります。 通常、出力電流 (つまり LED の電流) の安定化を使用し、LED の安定した明るさを確保します。 それほど頻繁ではありませんが、LED の電圧安定化がこのために使用されます。 容量性ブーストコンバータはチャージポンプコンバータとも呼ばれます。 これは、英語の用語 Charge Pump の直訳であり、海外の技術文献や文書でこれらのスキームを指します。 これらは昇降圧コンバータとして機能します。 チャージ ポンプ ドライバの明白な利点は、そのシンプルさと低コストです。 ドライバはまた、誘導型 SEPIC アーキテクチャ コンバータ (シングルエンド一次インダクタ コンバータ - インダクタンス上のシングルエンド一次コンバータ) を昇圧型 DC/DC コンバータとして使用します。その利点は、出力電流と効率が、コンバータを備えたコンバータよりも若干高いことです。回路電圧をブーストします。 昇圧コンバータは、低電圧電源アプリケーションでも主に使用されています。 他の平均インジケーターと比べて効率が高く、出力電流が大きいです。 [1] に記載されている DC/DC コンバータのドライバの機能を表 1 にまとめます。 表 1. DC/DC コンバータに基づくドライバの機能
家電製品の降圧コンバータが LED ドライバーとして使用されることはほとんどありません。 したがって、Monolithic Power Systems のマイクロ回路に関する残りの XNUMX つのタイプのドライバーの回路の特徴をより詳細に検討します。 MPS の昇圧回路 (チャージ ポンプ) を使用して超高輝度 LED に電力を供給するためのドライバー MP1519 チップは、2,5 ～ 5,5 V 電源から電力を供給される昇圧回路 (チャージ ポンプ) を備えた 1 つの白色 LED に電力を供給するドライバーです (図 XNUMX を参照)。
この超小型回路は、サイズ 16x16 mm の小型 3 ピン QFN3 パッケージで製造されています。 このマイクロ回路のピンの目的を表 2 に示します。 表2.MP1519チップのピンの目的
MP1519 IC には、バッテリ電圧センサー、制御コントローラー、電流発生器、禁止ゾーン基準電圧源 (ION)、XNUMX つの LED 電流源 (スタビライザー)、および電圧ブースト回路が含まれています。 マイクロ回路内の各 LED と直列に、電流スタビライザー (電流源 - 電流源) がオンになり、電流発生器が 1,3 つすべての電流源のモードを制御します。 制御コントローラーは、ブースト モード、「ソフト」スタートなどの自動選択を提供します。 昇圧回路は電源電圧を 1 MHz パルスに変換し、整流されて蓄積コンデンサ C2 および C1 を充電します。 電圧ブースト回路を使用して LED に電力を供給する場合、バッテリ電圧がこれらのコンデンサの電圧に加算されます。 昇圧回路が正しく動作するには、コンデンサ C2 と C1519 の静電容量が同じである必要があります。 MP1 チップの機能の 1,5 つは、昇圧比を 2x、XNUMXx、XNUMXx に自動的に切り替えることです。 これにより、電源電圧が変化したとき（経年劣化やバッテリー交換時など）、電流が最適に効果的に安定化され、LED の明るさが向上します。 これを行うために、動作中、マイクロ回路は LED の電流とバッテリー電圧を継続的に監視します。 バッテリーの過負荷を防ぐために、MP1519 チップはブースト モードの「ソフト」スタートと「ソフト」スイッチングを使用します。 LED の電流は抵抗 R1 によって設定され、その抵抗は次の式で計算できます。 R1（kohm) = 31,25/ILED製品(ミリアンペア) ピンに 2,5 ... 5,5 V の電源電圧が存在する場合。 IC の図 5 および 13 に示すように、ドライバーは、このマイクロ回路の EN 許可入力 (ピン 12) に高電圧レベルを印加することによってオンになります。 MP1519 超小型回路のコントローラーは、電源がオンになると、供給電圧の大きさと LED の電流を分析し、電圧ブーストの 12 つまたは別のモードをオンにします。 ピンのレベルが低い場合、ドライバーはオフになります (LED が消灯します)。 30、XNUMX μs の遅延。 EN 入力は、LED のアナログ調光と PWM 調光の両方に使用できます。 マイクロ回路のターンオフ遅延が必要なのは、PWM 調光のためです。 これを行うには、50 Hz ... 50 kHz の周波数を持つ外部制御 PWM 信号がイネーブル入力 EN に適用されます。 制御信号パルスが終了すると、LED の電流とその輝度は 30 µs 以内に徐々に減少してゼロになります。 制御パルスのデューティ サイクルが大きいほど、LED の平均輝度は低くなります。 制御信号の周波数が 50 kHz を超えると、輝度の調整が非効率になり、50 Hz を下回ると LED の点滅が目立ちます。 ピン上のアナログ調光用。 11 MP1519 には、分圧器 R2 R1 を介して一定の調整電圧が供給されます (図 2 を参照)。 分圧器 R0 R3 の入力でこの電圧を 2 ～ 1 V に変更することにより、LED 電流を 0 ～ 15 mA に変更できます。
MPS は、MP1519 と回路およびピン配置が似ているさらに 1519 つのマイクロ回路、MP3011L と MPXNUMX を製造します。 MP1519L チップは 1519 つの白色 LED で動作するように設計されており、MP1519L ピンが MP1 とは異なります。 16は使用しません。 QFN3 (3x16mm) および TQFN3 (3x3011mm) パッケージで入手可能です。 MP14 チップは、16 つの白色 LED のみで動作するように設計されています。 このチップもピンを使用しません。 3. このチップは QFN3 パッケージ (XNUMXxXNUMXmm) で提供されます。 MPS のステップアップ (ブースト、ステップアップ) DC/DC コンバータに基づいて超高輝度 LED に電力を供給するためのドライバ MP2481 チップの詳細な説明は [2] にあるため、MP3204、MP3205、MP1518、MP1523、MP1528、MP1521、MP1529、および MP1517 のチップを検討してください。 MP3204 チップは古典的な DC/DC ブースト コンバータで、入力電圧 2,5 ～ 6 V により、直列接続された LED で最大 21 V の定電圧を得ることができます。最大 3204 つの LED を使用できます。 MP3 の最大値に接続されますが、最適な制御のために、メーカーは XNUMX つの白色 LED を超小型回路の出力に接続することを推奨しています (図 XNUMX を参照)。
この超小型回路には、1,3 MHz 発振器、PWM、フィードバック信号増幅器、電流センサーからの信号増幅器、および電界効果トランジスタ出力スイッチが含まれています。 小型 TSOT23-6 パッケージで製造されています。 このマイクロ回路のピンの目的を表 3 に示します。 表3.MP3204チップのピンの目的
MP3204 のドライバー (図 3) は次のように動作します。 EN イネーブル入力 (ピン 4) にハイレベルを印加すると、マイクロ回路がオンになります。 出力キー (ピン 1 および 2) が閉じると、電源から L1 インダクタを介して流れる電流が増加し、インダクタ コア内に磁界が生成されます。 出力スイッチが開くと、インダクタに自己誘導EMFが発生し(図4の右側に「+」、左側に「-」)、回路の電源電圧に追加されます。 この合計電圧により、蓄積コンデンサ C1 がダイオード D2 を介して充電されます。 このコンデンサからの電圧は、直列接続された LED に電力を供給するために使用されます。 セラミックコンデンサは通常、入力フィルタコンデンサC1および出力C2の蓄積コンデンサとして使用されます。 ほとんどのアプリケーションには 2 uF のストレージ コンデンサ C0,22 で十分ですが、1 uF まで増やすことができます。 チョーク L1 の DC 抵抗は小さい必要があります。 D1 の位置には、直流 100 ～ 200 mA のショットキー ダイオードが取り付けられています。 LED と直列に接続された抵抗 R1 は、LED の電流センサーとして使用されます。 LEDの電流を安定させるために、この電流に比例するR1からの電圧がマイクロ回路のフィードバック入力FBに供給されます。 抵抗器 R1 の抵抗値によって LED の電流が設定されます。 LED 電流の抵抗 R1 の抵抗値への依存性を表 4 に示します。 表4.R1へのLED電流の依存性
電源投入時の過負荷から電源を保護するために、マイクロ回路にはソフトスタート回路が組み込まれています。 このチップはアナログおよび PWM 調光を提供し、明るさを調整するには 4 つの異なる方法があります。 アナログ調整の場合は図のような回路になります。 XNUMX.
制御電圧が 2 から 0 V に変化すると、LED 電流は 0 から 20 mA に変化します。 アナログ調光に加えて、XNUMXつのPWM調光方法を使用できます。 最初の方法の本質は、最大 1 kHz の周波数の PWM 信号が EN 入力 (ピン 4) に直接適用されることです。 LED の電流と輝度は、制御 PWM パルスのデューティ サイクルに反比例します。つまり、これらのパルスの持続時間に正比例します。 1 番目の方法では、3 kHz を超える周波数の PWM 信号が絶縁フィルタを介して FB フィードバック入力 (ピン 5) に供給されます (図 XNUMX を参照)。
このマイクロ回路には、入力電圧が低下したときの過負荷保護 (低電圧ロックアウト) があり、応答しきい値 2,25 V およびヒステリシス 92 mV と、LED の 5 つが破損した場合など、出力電圧を超えた場合の過負荷保護が備わっています。 これを行うには、コンバータの出力電圧が OV 保護回路の入力 (ピン 28) に印加されます。 この保護は出力電圧が XNUMX V になると作動し、インバータをオフにします。 再度オンにするには、回路の電源をオフにしてからオンにする必要があります。 MP3205 マイクロ回路は、MP3204 とは異なり、出力電圧保護や OV 入力を備えておらず、3205 ピン TSOT5-23 パッケージで製造されています。 ピン。 このマイクロ回路の TSOT5-5 ケースの 23 は、位置と目的の点でピンに対応します。 TSOT5-6 パッケージに MP3204 チップ 23 個。 パラメータと回路が MP3204 および MP3205 マイクロ回路に非常に近いのは、MP1518 および MP1523 マイクロ回路で、最大 6 個の LED を制御するように設計されています。 MP1518 は、TSOT23-6 および QFN-8 パッケージで提供されます。 TSOT1518-23 パッケージの MP6 チップは、ピンが MP3204 と完全に同一です。 MP1523 チップは TSOT23-6 パッケージでのみ製造されており、MP1518 とは多くの違いがあります。 MP1523 チップのピン配列は実質的に MP3205 と同じですが、ピンが異なる点があります。 5 (BIAS) MP1523 は、ほぼピンのように、電源のプラス (2,7 ... 25 V) に接続できます。 MP5 チップの 3205 (IN)、または回路の出力 (カソード D1) に接続します。 後者の場合、MP1523 マイクロ回路には、しきい値 28 V の出力電圧を超える過負荷保護回路が備わっています。このマイクロ回路では、LED と直列に接続された電流センサー抵抗器の抵抗値が 20 オームでなければなりません。 MP1523 には LED 調光回路がありません。 9 個の LED に電力を供給するための別の昇圧ドライバーは、MP1528 チップ (6x3 mm QFN3 パッケージまたは MSOP8、チップが MP1528DK とマークされている) 上で実行されます。 MP1528 のピン割り当てを表 5 に示します。 表5.マイクロ回路のピンの目的
MP1528 マイクロ回路の典型的なスイッチング回路は、上で説明した他のドライバとは若干異なります (図 6 を参照)。
LED の最大輝度を確保するには、BRT 入力に 1,2 V 以上の電圧を印加する必要があります。最大輝度時の LED の電流は抵抗 R1 によって決まり、その抵抗は次の式で計算できます。 R1（kohm) = Uワット/(3 私はLED製品(mA）） アナログ調光は、BRT ピンの DC 電圧を 0,27V から 1,2V に変更することによって行われます。 PWM 調光を実現するには、周波数 100 ～ 400 Hz の PWM 信号が BRT 入力に適用されます。その低レベルは 0,18 V を超えてはならず、高レベルは 1,2 V 未満であってはなりません。 このマイクロ回路には、応答しきい値 40 V による出力電圧の超過に対する保護、入力電圧の低下に対する保護 (動作しきい値 2,1 ～ 2,65 V) およびしきい値 160 °C による温度保護が備わっています。 MPS の DC-DC コンバータで最も強力なドライバの 1529 つは MP1517 チップです (検討中の IC よりも強力なのは MP1529 だけです)。 MPXNUMX チップはデジタル カメラ、ビデオカメラ、デジタル カメラ内蔵携帯電話で使用されているため、読者にとって特に興味深いものとなるはずです。 直列に接続された白色超高輝度 LED の XNUMX つのチェーン (ライン) を駆動できます。 1 個の LED からなるこれらのラインのうちの 2 つ (LED3 と LEDXNUMX) は、それぞれ液晶 (LCD) インジケーターのバックライト用に使用され、XNUMX つの LED のうち XNUMX 番目 (LEDXNUMX) はフラッシュと暗闇での物体の照明 (プレビュー モード) に使用されます。 MP1529 マイクロ回路の電源電圧は 2,7 ～ 5,5 V、出力電圧は 25 V です。28 V のしきい値による出力電圧の超過に対する保護と、しきい値による入力電圧の低電圧に対する保護を備えています。しきい値は 2 ～ 2,6 V、ヒステリシスは 210 mV です。 MP1529 は温度保護 (160°C) も備えており、16x4mm QFN4 パッケージで提供されます。 MP1529 ピンの目的を表 6 に示し、一般的なスイッチング回路を図 に示します。 7。 表6.MP1529チップのピンの目的
イネーブル入力 EN1 および EN2 は、さまざまなモードを有効にするために使用されます。 両方の入力が低論理レベル L (0,3 V) の場合、16 個の LED はすべて消灯します。 EN2 入力を Low に保ち、EN1 をハイレベル H (1,4 V) に設定すると、フラッシュ LED (LED3) は消灯し、12 個のバックライト LED (LED1 および LED2 チェーン) が可能な限り明るく点灯します。 バックライト LED の最大輝度と電流は、RS1 抵抗器 (ピン 9 に接続) の抵抗値によって設定されます。 同時に、周波数 1 ～ 1 kHz の制御 PWM 信号が EN50 入力に印加されると、この信号のデューティ サイクルに応じて、バックライト LED の照明の明るさが変化します。 。 イネーブル入力 EN2 がロー論理レベルに設定されている場合、3 つの LED のチェーン (LED3) が照明モード (プレビュー) でさらに点灯します。 この場合、LED2 LED の電流は RS10 抵抗器 (ピン 1) の抵抗値によって決まります。 EN2 入力にロー レベルが入力され、EN1 入力にハイ レベルが入力されると、バックライト LED LED2 と LED3 が消灯し、LED3 の LED が可能な限り明るく点灯します (フラッシュ モード)。 このモードでは、LED3 LED の電流は RS11 抵抗器 (ピン XNUMX) の抵抗値によって設定されます。 抵抗RS1、RS2、RS3の抵抗（kΩ）は次の式で計算されます。 RS1 = (950 Uセット）/私LED_BL RS1 = (1100 Uセット）/私LED_PV RS1 = (1000 Uセット）/私LED_FL どこでセット -内部基準電圧1,216V、ILED_BL - バックライト LED 回路 LED1 または LED2 の XNUMX つの電流 (mA)、ILED_PV - 照明モードでの LED3 LED の電流 (mA)、ILED_FL- フラッシュ モードでの LED3 LED の電流 (mA)。 イネーブル入力 EN1529 および EN1 の論理レベルに応じた MP2 チップの動作モードに関する情報を表 7 にまとめます。 表 7. EN1529 および EN1 入力の信号に応じた MP2 チップの動作モード
* L-低レベル、H-高レベル コンデンサ C1 と C2 はそれぞれ回路の入力と出力にあるフィルタの蓄積コンデンサです。C3 は PWM 段の入力にある制御電圧フィルタの蓄積コンデンサです (この PWM は出力電圧の安定化を実現します)。C4 はソフトスタート回路(PWMタイマー)のコンデンサです。 供給電圧 1521 V の MP2,7 チップでは、最大 9 個の超高輝度 LED を接続でき、供給電圧 5 V の場合は最大 15 個の超高輝度 LED を接続できます。 IC の最大電源電圧は 25 V です。MP1521 は MSOP10 (MP1521EK) および QFN16 (MP1521EQ) パッケージで入手可能です。 この超小型回路のピンの目的を表 8 に示し、9 個の LED に電力を供給するスイッチング回路を図 8 に示します。 XNUMX. 表 8. MSOP1521、QFN10 (16x3 mm) パッケージの MP3 チップのピン割り当て
抵抗R1、R2、R3（図8）はLED電流センサーです。 アナログ調光では、0,3 ～ 1,2 V の範囲の電圧が EN 入力に印加され、PWM 調光では、周波数 100 ～ 400 Hz の PWM 信号が 0,18 V 以下の低レベルで印加されます。 1,2、XNUMX V 以下の高レベル。 MP1517チップ上の昇圧コンバータおよびSEPICタイプコンバータ メーカーは、MP1517 チップを DC/DC ブースト コンバータとしてだけでなく、SEPIC (シングルエンド一次インダクタンス コンバータ) コンバータとしても使用することを推奨しています。 このマイクロ回路の電源電圧は 2,6 ～ 25 V の範囲にあります。サイズ 16x4 mm の QFN4 パッケージで製造されています。 MP1517 チップのピン割り当てを表 9 に示し、典型的なスイッチング回路を図 に示します。 9. 表9.MP1517チップのピンの目的
この回路は、直列に接続された 6 つの LED のうちの 8 つの電流センサーを使用して LED 電流を安定化する点でのみ、前の回路 (図 1517 または 10 を参照) と異なります。 したがって、MPXNUMX の SEPIC タイプの DC/DC コンバータの回路についてのみ詳しく説明します (図 XNUMX を参照)。
SEPIC コンバータの特徴は、その出力の電圧が入力よりも高くても低くてもよいことであり、これはカップリング コンデンサ C8 の存在によって保証されます ([3、4] を参照)。 図のスキーム。 入力電圧が 10 V から 3,3 V に変化すると、3 は出力に 4,2 V の電圧を生成します。SEPIC タイプのコンバータはいずれも、スイッチング ブースト コンバータに基づいて組み立てられています。これは、以下の図で簡単にわかります。 さらに、このブースト コンバータ (L1、D2 上) は、マイクロ回路自体に電力を供給するために使用されます。 MP1517 SEPIC コンバータが定常状態でどのように動作するかを見てみましょう。 前の作業の結果、電界効果トランジスタの MS の内部キーのロックが解除されるまでに、コンデンサ C8 が充電されます (図 10 の左側は「+」、左側は「-」)。権利）。 このキーが開くと、C8 がインダクタ L2 を介して放電され、変化する磁場のエネルギーが蓄積されます。 さらに、インダクタL1も磁気エネルギーを蓄積し、それを通じて増加する電流が電源からマイクロ回路の同じ内部キーを通って流れます。 キーがインダクタ L1 にロックされると、EMF が発生し (「+」 - 右側、「-」 - 左側)、電源の電圧が加算され、C8 が充電されます (「+」 - オン)左側、「-」-右側）D1とコンデンサC2を介して。 さらに、EMF が L2 (「+」 - 上部、「-」 - 下部) に表示され、D2 を通じて C1 を充電します。 次回マイクロ回路の内部キーのロックを解除するときに、このプロセスが繰り返されます。 コンバータの出力 (C2) の電圧値は、主に主要な制御パルスのデューティ サイクルと負荷電流に依存します。 R1 R2 - 出力電圧の安定化を実現するフィードバック分圧器、C6 - 誤差電圧フィルタ コンデンサ。 C5 はデカップリング抵抗、C4 はソフトスタート コンデンサです。 文学
著者：I。Bezverkhny
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