Преимущества и недостатки трех вариантов управления рабочей точкой светодиода

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2019

Uttam Sahu, Texas Instruments

Многие системы формирования изображений отходят от традиционных технологий, таких как лазеры и лампы, переходя к более эффективным решениям, основанным на светодиодных матрицах. Применение резистивных делителей напряжения обеспечивает линейное прямое смещение, достаточное для работы светодиода. Однако в связи с тем, что рабочая точка любого светодиода может изменяться в зависимости от температуры, а также из-за естественного разброса параметров устройств, для высокоточных схем программируемость рабочей точки становится обязательным требованием.

Распространенные подходы к решению проблемы программируемости рабочей точки основаны на использовании цифровых потенциометров (ЦП), широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или прецизионных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Однако такие решения должны быть еще и недорогими, компактными и высокоинтегрированными. Тогда выбор правильной архитектуры становится нетривиальной задачей. В этой статье я расскажу о различных вариантах схем управления положением рабочей точки светодиодов при подключении их к верхней шине питания, а также о соответствующих каждому варианту компромиссах.

Управление рабочей точкой с использованием цифрового потенциометра

Обычно светодиоды питаются током. Рисунок 1 иллюстрирует наиболее распространенную реализацию программируемого источника тока на основе цифрового потенциометра и регулируемого шунтового источника опорного напряжения (ИОН). При изменении напряжения на ИОН изменяется ток этой схемы. Хотя вариант с регулируемым ИОН эффективен, его основным недостатком является то, что он требует дополнительных компонентов и соответствующего увеличения площади платы, что, в конечном счете, особенно при управлении светодиодной матрицей, увеличивает стоимость решения. Кроме того, напряжение база-эмиттер (V_BE) транзистора зависит от температуры и коллекторного тока, что может быть еще более нежелательным для схемы.

Рисунок 1.	Схема управления рабочей точкой, основанная на цифровом потенциометре.

Управление с использованием ШИМ

Вместо цифрового потенциометра и ИОН для управления рабочей точкой можно также использовать ШИМ сигнал. В таких случаях положение рабочей точки определяется постоянной составляющей сигнала ШИМ. Хотя этот способ и прост в реализации, такая схема требует отдельного генератора ШИМ на каждый канал. Другое соображение заключается в том, что непрерывная ШИМ создает потенциальные проблемы, связанные с искажениями и электромагнитными помехами.

Простой метод управления рабочей точкой с использованием точного ЦАП

Другой способ обеспечения программируемости рабочей точки основан на использовании точного ЦАП. Такая конфигурация, включающая 10-разрядный 8-канальный ЦАП DAC53608 с буферизованным выходом по напряжению, показана на Рисунке 2. Этот подход позволяет сделать схему наименьшего размера с минимальной стоимостью компонентов.

Рисунок 2.	Программируемая схема управления рабочей точкой светодиодов.

Имейте в виду, однако, что в этой схеме, как и в предыдущей, может существовать дрейф V_BE транзистора, и для выходного напряжения также может потребоваться некоторый запас относительно шины земли из-за ожидаемого уменьшения V_BE.

Зависимость V_BE от температуры и тока коллектора можно игнорировать в приложениях, где схема охвачена внешней петлей обратной связи с усилением. Однако может возникнуть проблема с приложениями, в которых нет контура обратной связи, и не используется температурная калибровка. Дрейф V_BE, обусловленный изменениями температуры и коллекторного тока, может стать причиной погрешности усиления и ошибки полной шкалы на уровне системы.

Надежным способом компенсации таких изменений V_BE является размещение схемы внутри петли обратной связи усилителя, как показано на Рисунке 3. Эта схема очень хорошо подходит для приложений, требующих высокой точности. Единственным ее недостатком является дополнительный усилитель.

Рисунок 3.	Компенсация VBE с использованием буфера.

Использование согласованной пары PNP и NPN транзисторов для компенсации изменений выходного напряжения и разброса параметров – это еще один способ компенсации V_BE, показанный на Рисунке 4. Как видите, эта схема помогает выдержать баланс между точностью, размерами решения и его стоимостью.

Рисунок 4.	Компенсация VBE без буфера.

Все рассмотренные технологии сравниваются в Таблице 1. Варианты на основе высокоточных ЦАП во многих отношениях превосходят другие подходы. Прецизионные ЦАП общего назначения с 8- и 10-битным разрешением уже давно заполнили рынок, но в DAC53608 (и во всем его семействе) реализованы новейшие полупроводниковые технологии, позволяющие легко и с минимальными затратами создать решение для управления рабочей точкой светодиода.

Таблица 1.

Сравнение методов управления рабочей точкой светодиодов

Топология Преимущества и недостатки Схема на основе цифрового потенциометра Большее число компонентов увеличивает стоимость и требует больше места на плате. Отсутствует компенсация VBE. Схема на основе ШИМ Сложность формирования многоканального сигнала ШИМ. Создает также проблемы искажений и электромагнитных помех. Схема на основе ЦАП без компенсации VBE Очень простая реализация, пригодная для приложений, не требующих компенсации VBE. Схема на основе ЦАП с буфером Подходит для высокоточных приложений. Требует дополнительного усилителя. Схема на основе ЦАП с парой согласованных транзисторов Наилучший компромисс между ценой и точностью.

DAC53608 – первая микросхема в семействе миниатюрных ЦАП. Восьмиканальный прибор с буферизованным выходом по напряжению выпускается в крошечном корпусе QFN размером 3 × 3 мм. Он работает от одного источника питания и дополнен совместимой по выводам восьмиразрядной версией DAC43608. Эти ЦАП имеют интерфейс I²C, на шине которого можно с помощью единственного аппаратного вывода установить до четырех адресов устройств, что позволяет использовать до 32 каналов без необходимости в буфере I²C.

Материалы по теме