Microchip Technology Inc
2019_270_21
Catalin Bibirica iz podjetja Microchip Technology tokrat svetuje, kako načrtovati različne DC-DC pretvornike s konstantnim tokom na izhodu in s povečanjem moči, če imamo potrebo po napajanju večjega števila LEDic ali če z virom konstantnega toka napajamo LEDice visokih moči.
Kompaktni DC-DC pretvornik s fiksno nastavljeno frekvenco, s katerim je mogoče povečati moč in je optimiziran kot generator konstantnega toka za svetleče diode (LED), lahko zagotavlja tudi enostavno napajanje z manjšim številom zunanjih komponent za aplikacije, ki jih napajajo enocelične in dvocelične alkalne, NiCd in NiMH baterije. Lahko se vgradi v različne aplikacije, začenši z osnovnim gonilnikom za eno LEDico, ki se napaja iz enoceličnih alkalnih, NiMH ali NiCd baterij, do tistih, ki se uporabljajo za nize z več infrardečimi, belimi in RGB LEDicami.
Primer takšnega vezja je MCP1643, ki ga proizvaja Microchip. To je integrirano vezje deluje na osnovi generatorja pulzno širinske modulacije in je nastavljen na fiksno frekvenco 1MHz. Na sliki 1 je prikazana električna shema naprave, ki se uporablja kot preprost DC-DC pretvornik v vlogi generatorja konstantnega toka z možnostjo povečanja moči, ki za nastavitev konstantnega izhodnega toka uporablja upor (RSET).
Vhodna napetost določa največji tok skozi LEDico ali niz LEDic. Integrirano vezje ima delovno vhodno napetost od 0,5 do 5V in zagonsko napetost 0,65V.
Pri popolnoma napolnjeni bateriji je največji konstantni tok za LED niz ali diodo 450 mA. V primerjavi z alkalnimi baterijami imajo NiMH in NiCd baterije nižjo nazivno napetost, tako da bo prav tako nižji tudi največji konstantni tok skozi LEDico ali niz, ki ga lahko ustvarimo s tem vezjem in znaša približno 350 mA. Čeprav bi bile baterije skoraj povsem izpraznjene, bo vezje na svojem izhodu še naprej zagotavljalo do 150mA konstantnega toka.
Kot pri vseh generatorjih konstantnega toka za napajanje LEDic pa obstajajo tudi nekatere omejitve v zvezi z maksimalnim in minimalnim tokom.
Izhodni tok LEDic ostane konstanten vse dotlej, dokler je napetost VIN manj kot VOUT z dodatkom 300 do 400mV zaradi uporabljene topologije povečanja moči. Največji tok obremenitve določa najvišja določena vrednost vhodnega toka, ki je 1,8A. Če izbrani konstantni tok LEDice toliko vpliva na vhodni tok, da postane višji od maksimalnega vhodnega toka naprave, regulacija toka skozi LED ne bo mogla dobro delovati, zato bo izhodni tok nihal z vhodno napetostjo. Baterija mora biti sposobna vzdrževati tudi tok, ki ga za svoje delovanje potrebuje sam pretvornik. Najmanjši izhodni konstantni tok za LED, ki ga naprava lahko regulira, je 20mA.
Ena izmed najpreprostejših aplikacij je napajalnik v vlogi vira konstantnega toka za LED napajanje z naborom različnih izhodnih tokov, ki jih določajo konkretne vrednosti uporov za nastavitev. Pri upornosti 2,4 Ohma je nastavljeni tok 50 mA, s paralelno vezavo uporov za zaznavanje toka pa ga lahko povečamo na 100 in 150 mA.
Naprava omogoča zatemnitev svetlobe s impulzno širinsko modulacijo (PWM) tako, da se LEDice vklapljajo in izklapljajo s spremembo razmerja signal/pavza v PWM signalu s spremenljivim obratovalnim ciklusom, ki se pripelje na EN priključek integriranega vezja za omogočanje delovanja. Najvišja frekvenca, ki jo lahko uporabimo za zatemnitev je omejena z notranjim mehkim zagonom in znaša tipično 240μs. S spreminjanjem razmerja med delovnim ciklom in ciklom mirovanja v PWM signalu, ki krmili EN vhod, se povprečni tok skozi LED linearno spreminja, prav tako pa se spreminja tudi moč svetlobe, ki jo oddajajo LEDice.
Gonilnik dveh serijsko povezanih LEDic
Napravo lahko uporabite tudi kot gonilnik dveh v serijo povezanih LEDic, vendar pa je najvišja izhodna napetost omejena s prenapetostno zaščito, ki izhodno napetost omejuje na 5,0V. Zaradi te zaščite lahko tako upravljamo le dve nizkonapetostni serijsko povezani LEDici, na primer infrardeči daljinski upravljalnik in rdeče LEDice, ne moremo pa krmiliti serijske vezave dveh visokonapetostnih svetlečih diod, kot sta na primer bela in modra.
Vzporedni LED gonilnik
Krmilno vezje ima največji izhodni tok 550 mA. Da bi izkoristili to možnost, lahko vzporedno vežemo več nizkotokovnih LEDic. Največje število priključenih svetlečih diod določa najvišji izhodni tok pretvornika (550mA), deljen z nazivno močjo LED. Če je na primer nazivni tok LED 50 mA, lahko uporabimo do 11 LED. Potrebno je tudi enako število uporov z enako vrednostjo.
Z enim parom serijsko povezanega upora in LEDice nastavimo tok, ki ga meri krmilno integrirano vezje. Tok skozi ostale priključene pare krmili tok prvega para.
Ta aplikacija je primerna za osvetlitev ozadja pri prenosnih napravah, kjer so SMD upori nizkih moči razporejeni v liniji za osvetlitev LCD zaslona. Ta cenovno ugodna rešitev z minimalnim številom komponent popolnoma nadomešča potrebo po visokonapetostnem pretvorniku za vir konstantnega toka, ki lahko zahteva dimenzijsko velike tuljave, poleg tega pa na ploščici tiskanega vezja zasede veliko prostora.
Ugnezdeni sistemi
RGB LED je izdelana iz treh posameznih LED (rdeča, zelena in modra) s skupno katodo ali anodo, ki jih lahko krmilite posamezno, po eno naenkrat, hkrati ali pa hkrati na takšen način, da tvorijo svetlobo katerekoli barve vidnega spektra. Vsaka posamezna barva LEDice ima drugačen padec napetosti, zato je potreben takšen tokovni vir, ki lahko neodvisno krmili vsako posamezno vgrajeno LEDico.
MCP1643 DC-DC pretvornik se lahko uporablja kot tokovni vir za močnostno RGB LED in kot napetostni vir za mikrokontroler. Oboje je mogoče napajati z eno samo AA baterijo.
Krmilno integrirano vezje ima najvišji izhodni tok 550 mA, vendar le en izhod. Za neodvisno krmiljenje treh LEDic moramo zato uporabiti mikrokontroler. Z mehkim zagonskim časom 240μs se lahko krmiljenje za vsako barvo multipleksira brez prekoračitve toka z LED frekvenco 70Hz. Krmiljenje toka skozi posamezne LEDice je treba spremeniti tako, da dodamo zunanje tranzistorje, s čimer vsako posamezno LED vklopimo neodvisno od drugih.
V tej aplikaciji se krmilno integrirano vezje lahko za kratek čas uporablja tudi kot napetostni vir z odklopom LED in upora povratne zanke ter krmiljenjem povratne napetosti z delilnikom upora, da se izhodna napetost dvigne na fiksno vrednost 4V.
Glede na to, da se krmilno integrirano vezje istočasno uporablja za upravljanje treh LEDic in krmiljenje sistema, bo delovanje čipa nastavljeno na frekvenco okoli 300Hz (približno štirikrat 70Hz).
Če želimo napravo uporabljati kot neodvisen krmilnik večjega števila LEDic, pa je treba upoštevati nekatere pogoje:
- Izhod je treba preklapljati iz ene na drugo LEDico z istim povratnim uporom
- Krmilno integrirano vezje je potrebno onemogočiti in ponovno omogočiti vsakič, ko krmilni sistem spremeni pot toka
- Nivo izhodne napetost je treba spustiti, da prepreči kakršnokoli tokovno prekoračitev pri preklapljanju na LEDice druge barve
Za doseganje te funkcionalnosti je potreben PIC® mikrokontroler. Slika 2 prikazuje časovni potek krmilnih signalov.
Zeleni, modri in rdeči signali predstavljajo napetost na vratih tranzistorjev. Ti tranzistorji se uporabljajo za preusmerjanje poti toka za vsako barvo. Ko dobijo na vrata krmilni signal (napetost vrat), bodo tranzistorji začeli prevajati in ustrezna barva bo sklenila zaprto tokovno zanko z LED gonilnikom. Signal za omogočanje delovanje krmilnega integriranega vezja je s temi signali za krmiljenje vrat tranzistorjev sinhroniziran in ima še eno dodatno časovno obdobje, v katerem nobena od LED ni krmiljena. V tem obdobju se izhodna napetost dvigne na določeno fiksno napetost in tako lahko krmilnik deluje tudi kot napetostni vir.
Treba je upoštevati vrstni red signala za omogočanje. Če napravo poženete, ne da bi bile na izhod priključene LEDice, bo krmilno vezje povečalo izhodno napetost do največ 5V. Če se nato v tokokrog poveže LEDica, se bo izhodni kondenzator nekontrolirano izpraznil skozi LEDico, kar bi jo utegnilo poškodovati.
Mrtvi čas med signali omogočanja je različen zaradi različnega padca napetosti na LEDici v stanju prevajanja. Pri pozitivnih prehodih napetosti od nizke do visoke se sicer mrtvi čas lahko odpravi, vendar to ni priporočljivo.
DC-DC napetostni vir
Če želite integrirano vezje krmilnika uporabljati kot napetostni vir, potrebujete še nekaj zunanjih komponent. Za odklop povratnega upora od povratne zanke tokovnega vira je treba dodati tranzistor, uporovni delilnik v povratni zanki pa je potreben zato, da se lahko napetost dvigne na ustrezno raven, ki jo za svoje delovanje potrebuje krmilni sistem. Ko nobena od LEDic ni priključena, vendar je krmilno vezje omogočeno, se izhodna napetost v zelo kratkem času poveča na približno 4V.
Zaradi multipleksiranja napajalna napetost PIC mikrokontrolerja ni regulirana in se bo s časom zmanjšala, kar pa je odvisno od frekvence multipleksiranja, količine shranjene energije in porabe kontrolnega sistema.
Če je za napajanje krmilnega sistema potrebna regulirana napetost, lahko napravi sledi regulator z nizkim padcem napetosti (LDO). Če je na primer potrebna napetost 3,3V, se lahko uporabi tokovni regulator z nizkim padcem napetosti in nizkim tokom, potrebnim za svoje lastno delovanje (LDO), kakršen je na primer MCP1702, izhodna napetost MCP1643 pa mora biti nastavljena na več kot 3,6V. Padec napetosti na regulatorju ne bo vplivala na funkcionalnost mikrokontrolerja z napajalno napetostjo od 2,3 do 5V.
Potrebne so tudi dodatne elektronske komponente, ki preprečujejo motnje v krmilnih napetostih LEDic. Schottky dioda lahko vsaki nasprotno polarizirani napetosti prepreči, da bi prebila LEDico, kondenzator pa lahko shrani energijo za obdobje, ko krmilnik deluje kot tokovni vir za LEDice.
Poleg tega, da za krmilni sistem ne potrebuje drugega DC-DC pretvornika, ima takšen pristop še eno prednost. Ko je pretvornik izklopljen, bo izklopljen tudi mikrokontroler. Tipičen tok celotnega sistema ob izklopljenem krmilniku bo le 1,2μA, kolikor to integrirano vezje potrebuje v stanju mirovanja.
Sistem je mogoče ponovno zagnati bodisi ročno s tem, da omogočimo krmilno vezje – ki bo samodejno poskrbelo tudi za napajanje mikrokontrolerja – ali z zunanjim napajalnim virom, ki se na mikrokontroler priključi za najmanj 100 ms.
Na sliki 3 je prikazana električna shema za predstavitveno tiskano vezje krmilnika za RGB LEDice.
Shema je razdeljena na posamezne bloke, ki prikazujejo funkcionalnost vsakega posameznega dela sistema.
Načrtovanje tiskanega vezje je treba izvesti z upoštevanjem splošnih pravil, ki veljajo za DC-DC pretvornike: močnostne vezi, prek katerih tečejo največji tokovi, morajo biti čim krajše in ne smejo potekati pod ali v bližini vhodnih senzorskih signalov ali signalov visoke impedance. Preklopno vozlišče mora biti čim krajše, da se zmanjša možnost motenj. Vhodni in izhodni kondenzatorji morajo biti čim bližje pretvorniku, priporočena pa je tudi uporaba zaščitne ozemljitvene bakrene plasti oziroma zapolnitev neizkoriščene bakrene površine na tiskanini in njeno povezovanje na maso.
Pri napravah, ki se bolj segrevajo, je treba dodati večje število vij proti bakreni ozemljitveni plasti, ki pripomorejo k hitrejšemu odvajanju toplote.
Zaključek
MCP1643 je vsestranski sinhroni krmilnik DC-DC pretvornika za povečanje moči (boost), namenjen krmiljenju LEDic v aplikacijah, ki se napajajo iz ene same alkalne baterije ali aplikacijah z akumulatorji, ki imajo sicer nizko zagonsko napetost, vendar zelo visoke tokovne zmogljivosti. Nizek tok v stanju pripravljenosti (zaustavitev) 1,2 μA podaljša življenjsko dobo baterije, ko se krmilnik ne uporablja, medtem ko nizko število komponent in manjša potrebna montažna površina na tiskanem vezju omogočajo uporabo v manjših, predvsem prenosnih aplikacijah.
Oblikovanje DC-DC pretvornikov s predstavljenim integriranim krmilnikom je enostavno, z uporabo mikrokontrolerja pa načrtovanje postane bolj vsestransko in uporabniku prijaznejše.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
