Уменьшение пульсаций входного тока в приложениях драйверов светодиодов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2020

Ajmal Godil

Electronic Design

Использование светодиодов в потребительском секторе постоянно расширяется. Теперь вы можете найти их в домашнем освещении, освещении салона самолета, в автомобильных огнях, MP3-плеерах и в других местах. В прошлом большинство драйверов светодиодов основывалось на какой-нибудь разновидности зарядового насоса, в котором входное напряжение умножалось на два, а напряжение на светодиодах регулировалось внутренним стабилизатором с низким падением напряжения. Но чтобы некоторые мощные светодиоды начали излучать свет, требуются намного более высокие токи. Поэтому в большинстве современных промышленных драйверов светодиодов, ток которых может достигать нескольких ампер, используется повышающая топология.

Для портативных приложений с батарейным питанием, таких как сотовые телефоны и планшеты, производители систем требуют, чтобы драйверы светодиодов могли выполнять какую-либо функцию диммирования. Это связано с тем, что срок службы батареи обратно пропорционален интенсивности света, поскольку интенсивность света прямо пропорциональна току светодиода. Самый простой метод, используемый изготовителями микросхем, состоит в том, чтобы предусмотреть управляющий вывод EN, который включает повышающий регулятор только тогда, когда напряжение на нем превышает определенный порог.

Поскольку в большинстве портативных приложений используется микроконтроллер или микропроцессор, формирование прямоугольных импульсов с требуемыми значениями частоты, амплитуды и коэффициента заполнения не представляет сложности. Если подавать этот широтно-модулированный (ШИМ) сигнал на вход разрешения EN, можно увеличивать или уменьшать ток светодиода и, соответственно, его яркость, меня коэффициент заполнения импульсов.

С точки зрения регулировки яркости светодиодов этот метод работает очень хорошо, но он создает очень большие пульсации во входном источнике питания. В некоторых системах это недопустимо, потому что приводит к очень большим провалам входного напряжения. При уменьшении тока светодиодов с 700 мА до 350 мА размах между пиками пульсаций входного тока может достигать примерно 3 А, что слишком много. При тестировании макета, собранного для данной статьи, эти результаты были получены с использованием 3-вольтового ШИМ-сигнала частотой 10 кГц с коэффициентом заполнения 50%, подаваемого на вывод EN.

Одним из способов решения этой проблемы является использование повышающего драйвера светодиодов, такого, например, как EL7801, у которого есть выводы EN и LEVEL (уровень). Постоянное напряжение на выводе LEVEL управляет током светодиодов. Кроме того, эта схема может использовать внешний сигнал ШИМ частотой 10 кГц. Но вместо того, чтобы использовать вывод EN, можно минимизировать пиковый ток пульсаций, пропуская сигнал ШИМ через RC-фильтр нижних частот (R4 и C3) с постоянной времени 2 мс и подавая его на вход LEVEL (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Использование повышающего драйвера светодиодов с выводом LEVEL, дополняющим вывод EN, и добавление к схеме драйвера RC фильтра нижних частот (R4-C3) уменьшает пульсации тока.

Если постоянная времени намного больше 1/f_PWM (где f_PWM – частота импульсов ШИМ), то на выходе фильтра нижних частот будет среднее напряжение, которое можно подать непосредственно на вывод LEVEL для управления током светодиодов. Поэтому при 5-вольтовом входном сигнале с коэффициентом заполнения 50% на выходе фильтра будет 2.5 В. После внутреннего сдвига уровня это будет соответствовать напряжению 500 мВ на выводе LEVEL.

Среднее напряжение V_AVG для вывода LEVEL можно рассчитать по формуле

где

V_PWM – амплитуда импульсов ШИМ;
D – коэффициент заполнения.

Тогда средний ток светодиода I_AVG будет равен

В примере на Рисунке 1 сопротивление резистора R11 равно 0.2 Ом.

Рисунок 2.	Усовершенствованная схема на Рисунке 1 позволяет снизить пульсации тока входного источника питания до незначительного уровня порядка 200 мА.

При тех же условиях испытаний, что и раньше, усовершенствованная схема показала значительное снижение пульсаций тока при сбросе тока светодиодов с 700 мА до 350 мА (Рисунок 2). Пульсации входного тока были снижены до незначительного уровня.

Материалы по теме