Backlight LED Sürücü Sisteminin Tasarım ve Uygulama Analizi
Küçük bir LCD'de LED arkadan aydınlatmaya güç sağlamak için sistem düzeyinde bir yaklaşım benimsemek faydalı olacaktır.
Işık yayan diyot (LED) teknolojisi, pille çalışan uygulamalarda küçük boyutlu sıvı kristal ekranlardaki pikseller için aydınlatma (LCD'ler) sağlamak için yaygın olarak kullanılmaktadır. LED tarafından yayılan beyaz ışık, bloke edilebildiği veya zayıflatılabildiği polarizör aracılığıyla LCD'ye iletilir ve renkli ışık üretmek için RGB renk filtresine gönderilir.
Şekil 1: Arka aydınlatmalı LED sürüş sistemi. Şekil 1, bir DC / DC dönüştürücü ve bir veya daha fazla düzenlenmiş akım kaynağından oluşan arka ışık LED sürücüsünün sistem düzeyinde bir görünümünü göstermektedir. Ek olarak, RGB-LED tabanlı arka ışık, beyaz LED tabanlı arka ışıktan daha yüksek bir maliyete eşdeğer olan sıcaklık tabanlı geri bildirim kontrolü gerektirir. Ne kadar PCB alanı kullanılabilir? Hangi işleve ihtiyaç var? Sistem ne kadar güç tüketiyor? Bu soruları yanıtlamak, tasarımcıya uygun arka ışık LED sürücüsünü seçmesi için yol gösterebilir.
LED arka ışık için DC / DC dönüştürücü
Tek hücreli lityum iyon kaynağı olan taşınabilir uygulamalarda, voltaj düşüşü beyaz, yeşil veya mavi LED ile akım kaynağının toplamı pil voltajından daha düşük veya daha yüksek olabilir. Bu, kırmızı LED'lerin doğrudan tek hücreli lityum iyon pil ile çalıştırılabilmesine rağmen, beyaz, mavi veya yeşil LED'lerin bazen artması için pil voltajı gerektirdiği anlamına gelir.
Pille çalışan uygulamalar için bir LED sürücü seçerken dikkate alınması gereken ilk husus, IC sürücüsü ve harici bileşenlerin kapladığı toplam alandır (Şekil 2).
Şekil 2: Tipik PCB yerleşimlerine örnekler: şarj pompası (sol), indüktör desteği (sağ).
İki güçlendirme teknolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır: endüktif güçlendirme olarak da bilinen güçlendirme DC / DC dönüştürücüler ve şarj pompaları olarak da bilinen anahtarlamalı kapasitör dönüştürücüler. Şarj pompası uygulaması yalnızca dört seramik kapasitör ve bir düşük güç direnci gerektirir, bu da genellikle daha küçük bir çözüm boyutuyla sonuçlanır. Bu uygulamalar için önerilen kapasitör değeri 0.47F ila 1F'dir ve nominal voltaj 10V'dir (DC ön gerilim kaybına yardımcı olur). Bu kapasitörler, birçok kapasitör üreticisinin 0402 veya 0603 kasa boyutlarında bulunabilir. Toplam çözelti boyutunun 21 mm2'den az olması oldukça yaygındır ve ayrıca 1 mm'den küçük çok ince olma avantajına sahiptir. LED sürücü paketine göre, kapasitör çözümdeki en yüksek bileşen olabilir Anahtarlamalı kapasitör sürücüleri ile karşılaştırıldığında, endüktif güçlendirmeye dayalı LED sürücüler daha büyük bir çözüm boyutuna sahip olma eğilimindedir. LED sürücünün endüktans artışına dayalı tipik çözüm boyutu, kart alanının 30 mm2'sine yakındır. Endüktif sürücüler genellikle biri giriş tarafında ve diğeri çıkış tarafında olmak üzere iki kapasitör gerektirir.Kapasitans değeri 1F ila 2.2F'dir. 0603 ve 0805 kasa boyutları mevcuttur. İndüktör güçlendirme, tepe indüktör akımını ve çıkış voltajını işleyebilen bir doğrultucu bileşeni gerektirir. Senkronize yükseltmede, PFET IC'ye entegre edilebilir. Bununla birlikte, bu entegrasyon genellikle IC paketinin boyutunun asenkron çözümlerin boyutunu aşmasıyla sonuçlanır. Entegre bir yüksek voltajlı PFET veya Schottky diyotunun varlığında, güç dönüştürme verimliliği de yaklaşık% 10 azalır. Eşzamansız topolojide, geçiş elemanı Schottky diyotlarından oluşur. Anahtarlamalı kapasitör artışı ile karşılaştırıldığında, indüktör artışının ana alanı indüktörün kendisidir. 15mA ile 20mA arası akıma sahip 6-8 LED'li uygulamalar, genellikle 0.4A ile 0.5A arasında bir doygunluk akımına sahip 10F ile 22H arasında bir indüktör gerektirir. Bu indüktörler, 3.0 mm x 3.0 mm'den daha az bir ayak izinde bulunabilir. İndüktör, 0.8 mm ile 1.2 mm arasında değişen bir yüksekliğe sahip çözümdeki en uzun bileşendir.
Pil voltajını artırmanın en kolay yolu, yükseltici bir DC / DC dönüştürücü kullanmaktır (Şekil 3). Bu yöntemin avantajı, tüm yük ve giriş voltajı koşullarında çok yüksek verime sahip olmasıdır, çünkü giriş voltajı, LED ileri voltajı ve mevcut kaynak tavan voltajı toplamına yükseltilebilir. Daha önce de belirtildiği gibi, bu, maliyeti ve PCB alanı verimliliğini önemli ölçüde optimize eder.
Şekil 3, manyetik hızlı regülatörün çalışma prensibini göstermektedir. NFET anahtarı kapatıldığında (kesintisiz ok), indüktör akımı iL (t) t = t0'daki minimum Ia değerinden t = t1'deki maksimum Ib değerine yükselir. Bu süre zarfında Schottky diyotu ters önyargılıdır ve yük, çıkış kondansatöründe depolanan enerji ile desteklenir.
T = t1'de, NFET anahtarı kapatılır ve indüktör L'de depolanan enerji artık çıkış kondansatörüne ve yüke Schottky diyot (kesikli ok) üzerinden aktarılır. Bu nedenle, indüktör akımı t2 sırasında önceki Ia değerine düşer. Çıkış voltajı girişten daha büyük olmalıdır: bu voltaj ilişkisi doğru değilse, indüktör çıkış ağına deşarj olmayacaktır. Başka bir deyişle, NFET kapatıldığında, indüktör üzerindeki voltaj tersine döner çünkü akım boşalması hemen gerçekleşmez. Ters manyetik voltajın artırdığı giriş voltajı, çıkış voltajının giriş voltajından daha yüksek olmasına neden olur. 10 LED'i seri olarak kullanırken, gerekli güç kaynağı voltajı 35V kadar yüksek olabilir. Yükseltme topolojisinin bir başka avantajı, basitleştirilmiş PCB yerleşimidir: sürücü ile LED dizisi arasında yalnızca iki bağlantı gereklidir. Akü voltajını artırmanın ikinci yolu, kondansatörlerin aşağıdaki özelliklerini kullanan bir şarj pompası kullanmaktır (basit uygulama Şekil 4'te gösterilmiştir): kapasitör şarjının birikmesi anında gerçekleşmez, bu da kapasitör boyunca ilk voltaj değişiminin sıfıra eşit olduğu anlamına gelir. .
Şekil 3: Bir endüktif güçlendirme LED sürücüsü olan LM3509.
Gerilim dönüşümü iki aşamada tamamlanır. İlk aşama sırasında, S1, S2 ve S3 anahtarları kapalıyken S4-S8 anahtarları açık. Bu nedenle, C1 ve C2, C1'in C2'ye eşit olduğu varsayılarak istiflenir ve giriş voltajının yarısına kadar yüklenir:
Çıkış yük akımı, çıkış kondansatörü tarafından sağlanır. Kondansatör boşaldığında ve çıkış voltajı gerekli çıkış voltajından düşük olduğunda, çıkış voltajını bu değerin üzerine çıkarmak için ikinci faz devreye girer. İkinci aşama sırasında C1 ve C2, VIN ve VOUT arasına paralel olarak bağlanır. S4-S7 anahtarları kapalı, S1-S3 ve S8 anahtarları açık. Kondansatör üzerindeki voltaj düşüşü anında değişmeyeceğinden, çıkış voltajı giriş voltajı değerinin 1,5 katına sıçrayacaktır:
Şekil 4: Pompa devreleri 1x ve 1.5x kazançlarla şarj edilir Bu şekilde boost işlemi tamamlanır. Anahtarlama sinyalinin görev döngüsü genellikle% 50'dir, çünkü bu değer genellikle en iyi şarj aktarım verimliliğini üretir.
S8 anahtarını kapatarak ve S1-S7 anahtarlarını açarak, 1 kez kazançlı gerilim dönüşümü gerçekleştirilebilir. Şarj pompası yönteminin avantajı, indüktör olmamasıdır. Endüktans, ekranlarda veya cep telefonlarında radyo performansını etkileyecek olan EMI gürültüsüdür.
Şarj pompasında giriş gücü ve LED verimliliği
Şarj pompası LED sürücüsünde, çıkış gücü ilişkisi, tüm LED'lerin aynı olduğu varsayılarak, aşağıdaki formülle verilen verimlilik hesaplamasında kullanılır:
Şekil 5, adımların kazanç dönüşümünü gösterdiği tipik bir verimlilik grafiğini göstermektedir.
Bununla birlikte, belirli bir LED akımı için ileri voltaj, proses ve sıcaklığa göre değişebilir. Bu, LED'in verimliliğinin değişebileceği ve yine de sabit bir parlaklığı koruyabileceği anlamına gelir, çünkü ikincisi yalnızca akıma bağlıdır. Netlik sağlamak için, uyarlanabilir bir şarj pompasına dayalı bir LED sürücü devresini düşünelim. Aşağıdaki özellikler:
Şekil 5: Şarj pompası LED verimliliği.
Pilin güç tüketimini etkilemeyecek, ancak sürücü devresinin güç tüketimini etkileyecektir. Bu nedenle, güç tüketimini değerlendirmek için verimlilik yeterli değildir: Dikkat edilmesi gereken, giriş gücü ve LED parlaklığı, yani LED akımıdır. Belirli bir LED parlaklığı için, giriş gücü pilden ne kadar elektron boşaldığının gerçek bir göstergesidir.
Önceki koşullar altında, kazanç VLED'den bağımsız olarak 1.5 kattır, giriş gücü 333mW'ye eşittir.
Şarj pompası dönüştürücüsünün sınırlı miktarda voltaj kazancı olduğundan, uygulama özelliklerine bağlı olarak sürücü devresinde her zaman belirli bir miktar boşa harcanan güç vardır. Bu nedenle, giriş gücünü en aza indirmek için, şarj pompasını mümkün olan en küçük kazançla çalıştırmak çok önemlidir.
Sabit akım LED sürücüsü
LED özellikleri, gerekli seviyeye ulaşmak için gereken ileri voltaj ve akımı belirler ve yayılan ışık miktarını belirler. LED voltajı ve akım özelliklerindeki değişiklikler nedeniyle, yalnızca LED üzerinden voltajın kontrol edilmesi ışık çıkışında değişikliklere neden olacaktır. Bu nedenle, çoğu LED sürücüsü mevcut düzenlemeyi kullanır.
Şekil 6: Akım kaynağının ayarlanması.
Elektrik akımı regülasyonunu gerçekleştiren devre, Şekil 6'da gösterildiği gibi düşük bırakma voltajı dengeleyicisidir. Hata amplifikatörü, R2 ve V2 boyunca voltajı alır, bunu referans voltajı VREF ile karşılaştırır ve LED akımı IDX'i hata sinyalini (VERR = VREF-V2) NFET serisi iletim elemanı aracılığıyla mümkün olduğunca sıfıra yaklaştırmak için gereken değere ayarlar. VREF şuna eşittir:
Bu, yalnızca VOUT-VLED, aktarım elemanını doymuş halde tutacak kadar yüksek olduğunda geçerlidir. Aslında, LED aracılığıyla gerekli düzenlenmiş akımı sağlamak için akım kaynaklarının, baş boşluk voltajı VHR adı verilen minimum bir voltaja ihtiyacı vardır. Tavan boşluğu voltajı genellikle dirençle modellenir:
Parlaklık, LED akımını değiştirerek (analog kontrol) doğrudan kontrol edilebilir veya insan gözü kısma (PWM kontrolü) algısı oluşturmak için LED hızla kapatılarak dolaylı olarak kontrol edilebilir. Çoğu taşınabilir uygulamada, arka ışık denetleyicisi genellikle LED sürücüsünden uzakta olduğu için analog parlaklık kontrolü tercih edilir. Bu nedenle, PWM sinyalli PCB izleri, sorunlara neden olabilecek gürültüye duyarlı sistemlerin (radyo vericileri, hoparlörler veya ekranlar gibi) yakınına yerleştirilmelidir. Son olarak, yüksek kaliteli renk gamı gerektiren uygulamalarda kırmızı, yeşil ve mavi LED'ler kullanın. Kırmızı LED InGaAlP'den, mavi ve yeşil ise InGaN'den yapılmıştır. Ortam sıcaklığı değiştiğinde, kırmızının baskın dalga boyu mavi ve yeşile kıyasla önemli ölçüde değişir, bu nedenle bir tür sıcaklık telafisi geri besleme döngüsü gereklidir. LP5520 (Şekil 7), mükemmel beyaz dengesi (renk doğruluğu X ve Y
