Особенности схемотехники драйверов сверхярких светодиодов

Игорь Безверхний (Украина, г. Киев)

Мы неоднократно обращались к теме микросхем для устройств (драйверов) питания светодиодов. В настоящей статье автор анализирует схемотехнику этих драйверов на примере микросхем компании MPS (Monolithic Power Systems). В статье также приведён обзор наиболее распространённых микросхем драйверов сверхъярких светодиодов от MPS и даны некоторые рекомендации по их выбору.

Драйверы для питания сверхъярких светодиодов широко применяются в устройствах разной сложности - от светодиодных фонариков до мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, компьютеров и т.д. Одно из самых распространённых применений этих драйверов - схемы светодиодной подсветки LCD-дисплеев. Как правило, они используются в устройствах с автономным питанием и имеют высокий КПД (>90%).
Драйверы для питания светодиодов представляют собой регулируемые повышающие или повышающе-понижающие DC/DC импульсные преобразователи, емкостные со схемой вольтдобавки и индуктивные. В этих драйверах обычно применяется стабилизация выходного тока (тока светодиодов), что обеспечивает постоянство яркости свечения светодиодов.
Реже для этих целей используется стабилизация напряжения на светодиодах. В последнее время емкостные преобразователи со схемой вольтдобавки чаще называют преобразователями с подкачкой заряда, что является буквальным переводом английского термина Charge Pump, которым обозначают эти схемы в иностранной технической литературе и документации. Они могут работать как повышающе-понижающие преобразователи.
Достоинствами драйверов архитектуры Charge Pump являются простота и низкая себестоимость. В качестве повышающе-понижающих DC/DC-npeобразователей в драйверах также применяют индуктивные преобразователи SEPIC-архитектуры, преимуществами которых являются несколько большие выходной ток и КПД, чем у преобразователей со схемой вольтодобавки. Повышающие преобразователи нашли основное применение в устройствах с низковольтным питанием. Они имеют высокий КПД и большой выходной ток при остальных средних показателях. Особенности драйверов на DC/DC-преобразователях [3] сведены в таблицу 1.

Понижающие преобразователи применяются в качестве драйверов светодиодов значительно реже. Поэтому рассмотрим особенности схемотехники драйверов остальных трёх типов на микросхемах фирмы Monolithic Power Systems подробнее.

Драйверы для питания сверхъярких светодиодов со схемой вольтодобавки (Charge Pump)
Микросхема МР1519 представляет собой драйвер для питания четырёх белых светодиодов со схемой вольтодобавки (Charge Pump) с питанием от источника 2,5.-5,5 В (см. рис. 1).

Микросхема МР1519 изготавливается в миниатюрном корпусе QFN16 размером 3*3 мм с 16 выводами.
Назначение выводов этой микросхемы сведено в таблицу 2.

ИМС MP 1519 содержит:
• датчик напряжения батареи;
• контроллер управления;
• генератор тока;
• источник опорного напряжения запретной зоны;
• четыре источника (стабилизатора) тока светодиодов;
• схема вольтодобавки.

Последовательно с каждым светодиодом внутри микросхемы включен стабилизатор тока (Current Source - источник тока). Дополнительно следует заметить, что генератор тока управляет режимом всех четырёх источников (стабилизаторов) тока светодиодов. Контроллер управления обеспечивает автоматический выбор режима вольтдобавки, мягкий старт и т.п. Схема вольтдобавки преобразует напряжение питания в импульсы частотой 1,3 МГц, которые выпрямляются и заряжают накопительные конденсаторы С1 и С2. Для питания светодиодов, при использовании схемы вольтдобавки напряжение батареи суммируется с напряжениями на этих конденсаторах. Для правильной работы схемы вольтдобавки конденсаторы С1 и С2 должны иметь одинаковую ёмкость. Одной из особенностей микросхемы МР1519 является автоматическое переключение кратности вольтдобавки: 1х, 1,5х и 2х. Это обеспечивает оптимально эффективную стабилизацию токов, а значит, и яркости светодиодов при изменении напряжения питания (например, при старении или замене батареи). Для этого при работе микросхема непрерывно контролирует ток светодиодов и напряжение батареи.
Чтобы предотвратить перегрузку батареи, в микросхеме МР1519 используется мягкий запуск и мягкое переключение режимов вольтдобавки.
Ток светодиодов задаётся резистором R1. Сопротивление этого резистора можно рассчитать, задав ток светодиодов, по формуле:

Сопротивление резистора R1 больше 1,2 кОм.
Включение драйвера и, следовательно, светодиодов при наличии напряжения питания 2,5...5,5 В на выводах 5 и 13 МР1519 осуществляется подачей высокого уровня напряжения на вход разрешения EN (вывод 12) этой микросхемы. В момент включения контроллер микросхемы МР1519 анализирует величину напряжения питания, ток светодиодов и включает тот или иной режим кратности вольтдобавки. Выключение драйвера (гашение светодиодов) осуществляется низким уровнем на этом входе с задержкой 30 мкс.
По входу EN может осуществляться как аналоговое, так и ШИМ-регулирование яркости свечения (dimming) светодиодов. Именно для ШИМ-димминга необходима задержка выключения микросхемы. Для этого на вход разрешения EN подается внешний управляющий ШИМ-сигнал частотой 50 Гц...50 кГц. Когда импульс управляющего сигнала заканчивается, ток светодиодов и их яркость плавно уменьшаются до нуля в течение 30 мкс. Чем больше скважность импульсов управления, тем меньше средняя яркость свечения светодиодов. При частоте сигнала управления более 50 кГц яркость регулируется неэффективно, а при частоте ниже 50 Гц становится заметным моргание светодиодов.
Для плавного изменения (уменьшения) яркости постоянным напряжением на вывод 11 МР1519 подается постоянное напряжение регулировки через делитель напряжения R2, R1 (см. рис 2). Изменением напряжения от 0 до 3 В на входе делителя R2, R1 можно изменять ток светодиодов от 0 до 15 мА.
Компания MPS выпускает ещё две микросхемы, близкие по схемотехнике и цоколёвке к МР1519, - это MP1519LH МР3011.
Микросхема MP1519L рассчитана на работу с тремя белыми светодиодами и отличается от МP1519 тем, что у MP1519L вывод 1 свободный. Она изготавливается в корпусах QFN16 (3x3 мм) и TQFN16 (3x3 мм). Микросхема МР3011 рассчитана на работу только с двумя белыми светодиодами. У этой микросхемы свободен также вывод 14. Эта микросхема «запакована» в корпус QFN16 (3 x 3 мм).

Драйверы для питания сверхъярких светодиодов на основе повышающих (boost, step-up) dc/dc-преобразователей
Достаточно подробное описание одной из самых новых микросхем этого типа (МР2481) от MPS можно найти в [1]. Поэтому остановимся на рассмотрении следующих микросхем этого производителя: МР3204, МР3205, МР1518, МР1523, МР1528, МР1521, МР1529 и МР1517.

Микросхема МР3204 представляет собой классический повышающий DC/DC-преобразователь, который при входном напряжении 2,5...6 В позволяет получить на последовательно соединённы светодиодах постоянное напряжение до 21 В. Максимальное количество светодиодов, которое можно подключить к МР3204, -5 штук, но для оптимального управления изготовитель рекомендует подключать к выходу микросхемы три белых светодиода (см. рис. 3).

Микросхема содержит следующие основные узлы: генератор 1,3 МГц, каскад ШИМ, усилитель сигнала обратной связи, усилитель сигнала от  датчика тока и выходной ключ на полевом транзисторе.
Микросхема MP3204 изготавливается в миниатюрном корпусе TSOT23-6. Назначение выводов этой микросхемы сведено в таблицу 3.

Схема работает следующим образом. Микросхема включается подачей высокого уровня на вход разрешения EN (вывод 4). Когда выходной ключ (выводы 1 и 2) замкнут, через дроссель L1 идёт нарастающий ток от источника питания и в сердечнике дросселя разворачивается магнитное поле. Когда выходной ключ размыкается, в дросселе возникает ЭДС самоиндукции («+» справа, «-» слева), которая складывается с напряжением питания схемы. Этим суммарным напряжением через диод D1 заряжается накопительный конденсатор С2. Напряжение с этого конденсатора используется для питания последовательно соединённых светодиодов.

В качестве конденсатора входного фильтра С1 и накопительного конденсатора на выходе С2 желательно использовать керамические конденсаторы. Ёмкость накопительного конденсатора С2 0,22 мкФ достаточна для большинства применений, но её допустимо увеличить до 1 мкФ. Дроссель L1 должен иметь небольшое сопротивление постоянному току. Изготовитель рекомендует использовать дроссель типа LQH3C фирмы Murata. В позиции D1 должен использоваться диод Шоттки с прямым током 100...200 мА. Например, CMDSH-3 фирмы Central Semiconductor.
Резистор R1, включённый последовательно со светодиодами, используется как датчик тока светодиодов. Для стабилизации тока светодиодов напряжение с R1, пропорциональное этому току, поступает на вход обратной связи FB микросхемы МР3204. Сопротивлением резистора R1 можно задавать ток светодиодов. Зависимость тока светодиодов от сопротивления резистора R1 приведена в таблице 4.

 
Для защиты источника питания от перегрузки при включении микросхема имеет встроенную схему мягкого запуска (soft start). В микросхеме предусмотрено аналоговое и ШИМ-регулирование яркости свечения (dimming) светодиодов. Существуют три различных способа регулировки яркости. Для регулировки яркости постоянным напряжением используется цепочка, показанная на рис. 4. При изменении регулирующего напряжения от 2 до 0 В ток светодиодов изменяется от 0 до 20 мА.
Кроме аналоговой регулировки яркости (постоянным напряжением) могут использоваться два способа ШИМ-регулировки. При первом способе сигнал ШИМ частотой до 1 кГц подают непосредственно на вход EN (вывод 4). Ток и яркость свечения светодиодов обратно пропорциональны скважности ШИМ-импульсов управления, т.е. прямо пропорциональны длительности этих импульсов. При втором способе сигнал ШИМ частотой более 1 кГц подают на вход обратной связи FB (вывод 3) через развязывающий фильтр (см. рис. 5).
Микросхема имеет две защиты по напряжению. Первая — защита от перегрузки при уменьшении входного напряжения (Under Voltage Lockout) с порогом срабатывания 2,25 В и гистерезисом 92 мВ. Вторая схема — защита от перегрузки по превышению выходного напряжения, например при обрыве одного из светодиодов. Для этого выходное напряжение преобразователя подано на вход схемы защиты OV (вывод 5). Эта защита срабатывает при значении выходного напряжения 28 В и выключает преобразователь. Для его повторного включения необходимо выключить, а затем опять включить питание схемы.
Фирма производит также микросхему МР3205, которая отличается от МР3204 только отсутствием схемы защиты по выходному напряжению. Вход OV также отсутствует. Микросхема МР3205 изготавливается в корпусе с пятью выводами типа TSOT23-5. Вывод 5 корпуса TSOT23-5 этой микросхемы по расположению и по назначению соответствует выводу 6 микросхемы МР3204 в корпусе TSOT23-6.

 Очень близки по параметрам и схемотехнике к микросхемам МР3204 и МР3205 ещё две микросхемы - МР1518 и MP 1523, которые могут управлять шестью светодиодами. МР1518 изготавливается в корпусах TSOT23-6 и QFN-8. Назначение выводов микросхемы МР1518 приведено в таблице 5.

 
Как видно из таблицы 4, микросхема МР1518 в корпусе TSOT23-6 по выводам полностью совпадает с МС МР3204. Микросхема MP 1523 изготавливается только в корпусе TSOT23-6 и имеет ряд отличий от MP 1518. По распиновке микросхема MP 1523 практически совпадает с МР3205. но отличается от неё тем, что вывод 5 (BIAS) MP1523 может подключаться или к плюсу источника питания 2,7...25 В, почти как вывод 5 (IN) микросхемы MP3205, или к выходу схемы (к катоду D1). В последнем случае в микросхеме MP 1523 будет работать схема защиты от перегрузки по превышению выходного напряжения с порогом срабатывания 28 В. Резисторный датчик тока, включенный последовательно со светодиодами, для этой микросхемы должен иметь сопротивление 20 Ом. Эта микросхема не предназначена для регулировки яркости светодиодов. Назначение выводов микросхемы МР3205 сведено в таблицу 6.

Ещё один повышающий драйвер для питания девяти светодиодов можно выполнить на микросхеме МР1528, которая изготавливается в корпусах QFN6 (3x3 мм) и MSOP8. Назначение выводов этой микросхемы в обоих корпусах сведено в таблицу 7.

Стандартная схема включения микросхемы MP 1528 незначительно отличается от остальных рассмотренных выше драйверов. Схема включения микросхемы MP1528DQ (в корпусе QFN6) показана на рис 6. Кстати, эта микросхема в корпусе MSOP8 маркируется как MP1528DK.
Для обеспечения максимальной яркости свечения светодиодов на вход BRT надо подать напряжение 1,2 В или более. Ток светодиодов при максимальной яркости однозначно определяется резистором R1. Сопротивление этого резистора можно рассчитать по формуле:

 Аналоговая регулировка яркости осуществляется изменением управляющего постоянного напряжения на этом выводе от 0,27 до 1,2 В. Для ШИМ-регулировки яркости светодиодов на вход BRT подаётся цифровой ШИМ-сигнал частотой от 100 до 400 Гц, низкий уровень которого не должен превышать 0,18 В, а высокий должен быть не меньше 1,2 В.
Микросхема имеет защиту от превышения выходного напряжения, которая имеет порог срабатывания 40 В. а также защиту от понижения входного напряжения (порог срабатывания 2,1 ... 2,65 В) и температурную защиту с порогом 1б0°С.

Один из самых мощных драйверов на DC /DC-преобразователях от Monolithic Power Systems - это микросхема МР1529 (мощнее из рассматриваемых МС только МР1517). Микросхема MP1529 предназначена для применения в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и мобильных телефонах со встроенной цифровой фотокамерой и может управлять тремя цепочками (линиями) последовательно включенных белых сверхъярких светодиодов. Две из этих линий (LED1 и LED2), из шести светодиодов каждая, используются для задней подсветки жидкокристаллических (LCD) индикаторов, а третья (LED3), из четырёх светодиодов, — для фотовспышки и для освещения объектов в тёмное время (режим preview). Напряжение питания микросхемы MP1529 составляет 2,7...5,5 В, а выходное напряжение 25 В. Она имеет защиту от превышения выходного напряжения с порогом срабатывания 28 В, а также защиту от понижения входного напряжения (порог срабатывания 2...2,6 В) и гистерезисом 210 мВ. MP1529 имеет также температурную защиту, которая срабатывает при 160°С Микросхема MP1529 изготавливается в корпусе QFN16 размером 4 > 4 мм. Назначение выводов этой микросхемы приведено в таблице 8.

Схема включения микросхемы МР1529 изображена на рис. 7. Остановимся на особенностях входов разрешения EN1 и EN2. Они используются для включения того или иного режима. Если на обоих входах разрешения низкий логический уровень L (0,3 В), то все 16 светодиодов будут погашены. Если на входе EN2 сохранить низкий уровень, а на EN1 установить высокий уровень Н (1,4 В), то светоди-оды вспышки (LED3) останутся выключенными, а 12 светодиодов подсветки (цепочки LED1 и LED2) будут светиться максимально ярко. Максимальная яркость и ток светодиодов подсветки задаются сопротивлением резистора RS1 (вывод 9 микросхемы). Если же при этом на вход EN 1 подать управляющий ШИМ-сигнал частотой 1...50 кГц, то в зависимости от скважности этого сигнала будет меняться яркость свечения светодиодов подсветки. Если на входе разрешения EN2 установить низкий логический уровень, дополнительно включится цепочка из четырёх светодиодов (LED3) в режиме освещения (preview). При этом ток светодиодов LED3 будет определяться сопротивлением резистора RS2 (вывод 10 микросхемы). Если на вход EN1 подать низкий уровень, а на EN2 высокий, то светодиоды подсветки LED1 и LED 2 погаснут, а светодиоды LED3 засветятся максимально ярко (режим вспышка). В этом режиме ток светодиодов LED3 задаётся сопротивлением резистора RS3 (вывод 1 I микросхемы).
Резисторы RSI, RS2 и RS3 (в кОм) рассчитываются по формулам:

  где £/_SET - внутреннее опорное напряжение 1,216 В, /led bl ~~ ток (в мА) одной из цепей светодиодов задней подсветки LED1 или LED2, /_{LED PV} -ток (в мА) светодиодов LED3 в режиме освещения, /LE1) FL - ток (в мА) светодиодов LED3 в режиме вспышки.
Информация о режимах работы микросхемы MP 1529 в зависимости от логических уровней на входах разрешения EN1 и EN2 сведена в таблицу 9. Конденсаторы С1 и С2 - это накопительные конденсаторы фильтров на входе и выходе схемы соответственно. СЗ - накопительный конденсатор фильтра управляющего напряжения на входе каскада ШИМ. Этот каскад обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. С4 - конденсатор схемы мягкого запуска (ШИМ-таймера).

Микросхема MP 1521 от MPS при напряжении питания 2,7 В позволяет подключать к ней до девяти ярких светодиодов, а при напряжении питания 5 В - до 15. Максимальное напряжение питания 25 В. MP 1521 выпускается в корпусах MSOP10 (МР1521ЕК) и QFN16 (MP1521EQ). Назначение выводов этой микросхемы приведено в таблице 10, а схема включения для питания 9 светодиодов — на рис. 8. Резисторы R1, R2 и R3 (рис. 8) - датчики тока светодиодов. При аналоговой регулировке яркости светодиодов на вход EN подают напряжение в пределах 0,3.-1,2 В, а при широтно-импульсной - сигнал ШИМ частотой 100...400 Гц с низким уровнем, не превышающим 0,18 В. и высоким, более 1.2 В.

Повышающий преобразователь и преобразователь типа sepic на микросхеме MP1517
Микросхему MP 1517 изготовитель рекомендует использовать не только как повышающий DC/DC-преобра-зователь, но и как преобразователь типа SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter - одновыводной первичный преобразователь на индуктивности). Напряжение питания этой микросхемы лежит в пределах 2,6...25 В. Она изготавливается в корпусе QFN16 размером 4x4 мм. Назначение выводов микросхемы МР1517 приведено в таблице 11, а схема повышающего преобразователя на этой МС (типовая схема включения МР1517) - на рис. 9. Эта схема отличается от предыдущих (например, рис. 6 или 8) тем, что для стабилизации тока светодиодов используется датчик тока только одной последовательной цепочки светодиодов из трёх. Поэтому остановимся подробнее на описании схемы DC/DC-преобразователя типа SEPIC на микросхеме МР1517, которая изображена на рис. 10.
 

Особенностью преобразователя SEPIC является то. что напряжение на его выходе может быть как больше, так и меньше входного, что обеспечивается наличием разделительного конденсатора С8 [4]. Схема вырабатывает напряжение 3,3 В на выходе при изменении входного напряжения от 3 до 4,2 В. Всякий преобразователь типа SEPIC собирается на основе импульсного повышающего преобразователя, что легко заметить на приведённой схеме. Кроме того, этот повышающий преобразователь (на LI, D2) используется для питания самой микросхемы.
Рассмотрим, как работает преобразователь SEPIC на микросхеме MP 1517 в устойчивом режиме. В результате предыдущей работы к моменту отпирания внутреннего ключа МС на полевом транзисторе конденсатор С8 будет заряжен («+» слева, «-» справа). При открывании этого ключа С8 будет разряжаться через дроссель L2. в котором будет накапливаться энергия в виде разворачивающегося магнитного поля. Кроме того, магнитную энергию будет накапливать и дроссель L1, по которому будет протекать нарастающий ток от источника питания через этот же внутренний ключ микросхемы. При запирании ключа в дросселе L1 возникает ЭДС («+» справа, «-» слева), которая, складываясь с напряжением источника питания, будет заряжать С8 («+» слева, «-» справа) через D1 и конденсатор большой ёмкости С2. Помимо этого, в L2 возникает ЭДС («+» вверху, «-» внизу), заряжающая С2 через D1. При следующем отпирании внутреннего ключа микросхемы процесс повторится.
Величина напряжения на выходе, т.е. на С2, зависит в первую очередь от скважности импульсов управления ключом и от тока нагрузки. R1, R2 - делитель напряжения обратной связи, которая обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. С6 - конденсатор фильтра напряжения ошибки, С5 - развязывающий резистор, а С4 - конденсатор схемы мягкого запуска.

Для облегчения выбора микросхем драйверов сверхъярких светодиодов  от MPS приводим сводную таблицу основных особенностей этих микросхем (см. таблицу 12). В этой таблице микросхемы систематизированы по максимальному количеству светодиодов, которые можно запи-тать от этих микросхем.
Более подробную информацию о микросхемах производства Monolithic Power Systems можно найти на сайте фирмы [6].

Литература
1. Цветков Д. Новый регулируемый DC/DC-преобразователь для питания мощных светодиодов. Современная Электроника. 2008. № 9.
2.Давиденгю Ю. Микросхемы электропитания светодиодов. Современная Электроника. 2004. № 2.
5-Денг К. Сравнение емкостных и индуктивных преобразователей постоянного тока. Электронные компоненты. 2007. №8.
4. Иоффе Д. Разработка импульсного напряжения с топологией SEPIC. Компоненты и технологии. 2006. № 9-
5. Ридли Р. Анализ преобразователя SEPIC. Компоненты и технологии. 2008. № 5.
6. www.MonolithicPower.com.

 Datasheet MP1517, MP1518, MP1519, MP1519L, MP1521, MP1523, MP1528, MP1529, MP2481, MP3011, MP3204, MP3205