Гибридный импульсно-линейный контроллер управления током светодиода с широким диапазоном диммирования

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2017

Thomas Mosteller

Electronic Design

Объединив в одной схеме две стандартные топологии источников питания, можно сделать легко регулируемый источник тока, хорошо подходящий для управления яркостью светодиодов

Для многих приложений светодиодного освещения требуются широкие диапазоны диммирования, проще всего реализуемые с помощью регулируемого источника тока (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Светодиоды – устройства, управляемые током, а не напряжением, а зависимость интенсивности их излучения от уровня тока имеет нелинейных характер.

Обеспечить большой диапазон регулирования источника тока светодиодов можно несколькими различными способами. Но общая для всех из них проблема заключается в том, что рассеиваемая мощность может оказаться недопустимо большой. Напряжение источника V₁ должно быть достаточно высоким для того, чтобы с гарантированным запасом превышать наибольшее возможное падение на светодиоде. Указываемое производителями светодиодов максимальное напряжение обычно превосходит среднее значение, вынуждая разработчиков использовать более высокие входные напряжения, чем требуется на самом деле. В приложениях с последовательными цепочками из нескольких светодиодов этот запас должен умножаться на число светодиодов.

Вдобавок, напряжение, оптимальное для питания светодиодной цепочки, может отсутствовать в системе, из-за чего разработчикам приходится добавлять еще один источник с более подходящим выходным напряжением. В результате увеличивается сложность схемы и потребляемая ею мощность.

Эта проблема была решена путем создания импульсного источника питания со стабилизированным выходным током (а не напряжением) и обеспечения возможности регулирования этого тока для управления яркостью свечения. Реализация это концепции с использованием микросхемы LTM8042 иллюстрируется схемой на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Источник питания для внешнего регулирования стабилизированного выходного тока сделан на основе микросхемы LTM8042 и отвечает всем требованиям, предъявляемым к управлению светодиодами.

Меняя напряжение на выводе CTL от 100 мВ до 1 В, можно масштабировать ток светодиода в диапазоне 10:1 (Рисунок 3).

Рисунок 3.	При изменении напряжения на управляющем входе CTL микросхемы LTM8042 от 100 мВ до 1 В ток светодиода меняется в диапазоне 10:1.

Основная причина такого ограничения диапазона диммирования связана со сложностью масштабирования сигнала, поступающего с датчика тока в секции ШИМ импульсного преобразователя, до очень низких уровней. Чтобы расширить диапазон регулирования, можно использовать ШИМ сигнал для включения и выключения светодиода. Если частоту переключения сделать достаточно высокой – обычно несколько сотен герц, – пульсации яркости восприниматься человеческим глазом не будут. С помощью такого метода диапазон диммирования может быть расширен до 3000:1 (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Использование ШИМ сигнала для включения и выключения   светодиода позволяет, с некоторыми ограничениями, расширить диапазон диммирования более чем на порядок.

В этом случае светодиод включается и выключается тактовым сигналом, приложенным к входу PWM. Хотя для человеческого глаза это мерцание незаметно, оно может создавать проблемы для других приложений, порождая нежелательные артефакты, например, в случае взаимодействия частоты развертки устройства записи цифрового видео с частотой вспышек светодиода.

Описанный здесь метод позволяет в широком диапазоне управлять яркостью строго аналоговыми средствами. В нем используется гибридный подход, при котором импульсный регулятор поддерживает постоянное напряжение на регулируемом источнике тока, а напряжение светодиода образует часть сигнала обратной связи, благодаря чему изменения напряжения на светодиоде не оказывают влияния на его ток. При этом не требуется, чтобы напряжение на источнике тока поддерживало падение напряжения на светодиоде и его изменения, поэтому оно может быть оптимизировано для наилучшего выбора величины рассеиваемой мощности в каждом диапазоне диммирования.

Рисунок 5.	Гибридное решение, объединяющее импульсный преобразователь и регулируемый источник тока, позволяет расширить диапазон диммирования.

Показанная на Рисунке 5 концептуальная схема такого гибридного решения может быть реализована на микросхеме импульсного преобразователя LT8614 и используемом в качестве источника тока LDO регуляторе LT3083 (Рисунок 6).

Рисунок 6.	В базовой реализации гибридной схемы использована микросхема LT8614 в качестве источника напряжения и микросхема LT3083 в качестве точно регулируемого источника тока.

При входном напряжении 12 В управляющий сигнал 0…300 мВ, приложенный к выводу SET микросхемы LT3083, изменяет ток светодиода в диапазоне от 0 до 3 А. Выход OUT микросхемы отслеживает напряжение на выводе SET, поэтому через R5 течет постоянный ток, величина которого определяется соотношением

Ток входа IN микросхемы LT3083 с высокой точностью повторяет ток вывода OUT до тех пор, пока не достигнет минимального значения порядка 500 мкА. Для нормальной работы LT3083 требуется запас на падение напряжения между выводами IN и OUT, в худшем случае составляющий 510 мВ, а также 300 мВ, учитывающие падение на резисторе R5 при максимальном выходном токе. LT8614 поддерживает напряжение на входе IN микросхемы LT3083 на точном уровне 0.97 В, сохраняя рассеиваемую микросхемой LT3083 мощность на приемлемом уровне с максимальным значением порядка 2.4 Вт при выходном токе 3 А.

Напряжение на катоде светодиода поддерживается микросхемой LT8614 на уровне 0.97 В, но анодное напряжение, благодаря действию обратной связи LT8614, может быть любым. Если последовательно с D1 включить дополнительные светодиоды, ток не будет меняться до тех пор, пока запас по напряжению не станет меньше суммы указанных выше значений падений напряжения 510 мВ и 300 мВ.

LDO регулятор LT3083 является очень удобным компонентом для создания источников тока, но, как отмечалось выше, он предъявляет требования по минимальному току нагрузки. Кроме того, имеется небольшое несоответствие между напряжениями на выводах SET и OUT, составляющее обычно несколько сотен микровольт, которое, однако, в полном диапазоне температур может достигать ±6 мВ. Это несоответствие сужает границы диапазона регулирования. Для расширения пределов диммирования микросхему LT3083 можно заменить дискретным источником тока, используя в качестве управляющего элемента операционный усилитель (ОУ) с низким напряжением смещения, такой, например, как прецизионный ОУ LT6015 (Рисунок 7).

Рисунок 7.	Расширить диапазон регулирования яркости можно еще больше, добавив источник тока на основе прецизионного ОУ с низким напряжением смещения.

Максимальное напряжение смещения микросхемы LT6015 в диапазоне температур составляет ±250 мкВ, а источнику тока требуется лишь 100 мВ дополнительного напряжения. Это позволяет расширить полную шкалу управляющих напряжений до 600 мВ и обеспечить диммирование в диапазоне 1000:1.

Материалы по теме