طراحی مدار درایو LED

   بسیاری از وسایل الکترونیکی قابل حمل امروزه به راه حلهای درایور نور پس زمینه با ویژگی های زیر احتیاج دارند: کنترل مستقیم جریان ، بازده بالا ، کم نور شدن PWM ، محافظت در برابر ولتاژ بیش از حد ، قطع بار ، اندازه کوچک و سهولت استفاده. این مقاله در مورد هر یک از این ویژگی ها و چگونگی دستیابی به آنها بحث می کند و با یک مدار معمولی که هر یک از این ویژگی ها را پیاده سازی می کند نتیجه گیری می کند.

   کنترل مستقیم جریان

   در طراحی مدار LED ها قطعات جریان کشی هستند که میزان روشنایی آنها متناسب با جریان ورودی آنها است. جریان ورودی می تواند به دو روش کنترل شود. روش اول استفاده از منحنی LED V-I برای تعیین ولتاژ مورد نیاز برای تولید جریان مورد نظر است. این امر با استفاده از یک منبع ولتاژ و استفاده از یک مقاومت بالاست همانطور که در شکل زیرنشان داده شده است ، محقق می شود. با این حال در طراحی مدار ، این روش اشکالات مختلفی دارد. هر تغییری در ولتاژ نامی LED باعث ایجاد تغییر در جریان LED می شود. با ولتاژ نامی 3.6 ولت ، LED در شکل دارای جریان 20 میلی آمپر است. اگر این ولتاژ به 4.0 ولت تغییر کند ، ولتاژ تحمل ولتاژ مشخص شده به دلیل تغییرات دما یا تغییرات حین ساخت، جریان به 14 میلی آمپر کاهش می یابد. این 11٪ تغییر در ولتاژ نامی باعث تغییر 30٪ در جریان کشیده شده می شود همچنین ، بسته به ولتاژ ورودی موجود ، افت ولتاژ و اتلاف انرژی در مقاومت بالاست باعث اتلاف انرژی و کاهش عمر باتری می شود. روش دوم در طراحی مدار ، تنظیم تنظیم جریان LED برای هدایت LED با منبع جریان ثابت. منبع جریان ثابت باعث تغییر در تغییرات دوتایی جریان در ولتاژ جلو می شود که به روشنایی LED ثابت تبدیل می شود. تولید یک منبع جریان ثابت کاملاً ساده است. منبع تغذیه ورودی به جای تنظیم ولتاژ خروجی ، ولتاژ را از طریق یک مقاومت حسگر جریان تنظیم می کند. شکل دوم این عمل را نشان می دهد. ولتاژ مرجع منبع تغذیه و مقدار مقاومت حسگر جریان ، جریان LED را تعیین می کند. چندین LED باید در یک پیکربندی سری به هم متصل شوند تا جریان یکسان در هر LED حفظ شود. درایو LED ها به طور موازی به یک مقاومت بالاست در هر رشته LED نیاز دارد که منجر به بازده پایین تر و همسان سازی جریان یکنواخت می شود.

   بازدهی بالا

   عمر باتری در وسایل قابل حمل بسیار مهم است. برای اینکه یک درایور LED مفید باشد ، باید با بازده بالا باشد. ضریب اطمینان کارآیی درایور LED با منبع تغذیه معمولی متفاوت است. اندازه گیری کارایی منبع تغذیه معمولی به عنوان توان خروجی تقسیم بر توان ورودی تعریف می شود. با یک درایور LED ، قدرت خروجی پارامتر مورد علاقه نیست. در طراحی مدار آنچه مهم است ، مقدار توان ورودی مورد نیاز برای تولید روشنایی مطلوب LED است. این امر با تقسیم توان در LED ها به توان ورودی به راحتی تعیین می شود. تعریف بازده از این طریق به این معنی است که توان تلف شده در مقاومت سنجش جریان به توان از دست رفته در منبع صحیح میباشد. معادله زیر نشان می دهد که ولتاژ مقاومت سنجش جریان کمتر ، به بازده بیشتر درایورهای LED کمک می کنند.

   تصویر بعدی نشان می دهد که انتخاب منبع تغذیه با ولتاژ افت کرده روی مقاومت اندازه گیری جریان 0.25 در مقابل 1 ولت ، بازده را بهبود می بخشد. منبع تغذیه با ولتاژ حس پایین جریان بدون در نظر گرفتن ولتاژ ورودی یا جریان LED کارآمدتر است. با مساوی بودن سایر موارد ، ولتاژ مرجع کمتر به طور قابل توجهی باعث بهبود کارایی و افزایش عمر باتری می شود.

   کنترل نور PWM

   بسیاری از کاربرد های قابل حمل LED به کم نور و پر نور شدن نیاز دارند. در کاربرد هایی مانند نور پس زمینه LCD ، کاهش نور باعث روشنایی و تنظیم کنتراست می شود. دو نوع کنترل وجود دارد: آنالوگ و PWM. با کم نور شدن آنالوگ ، 50٪ روشنایی با اعمال 50٪ حداکثر جریان به LED حاصل می شود. اشکالاتی که در این روش وجود دارد شامل تغییر رنگ LED و نیاز به سیگنال کنترل آنالوگ است که معمولاً به راحتی در دسترس نیست. کم نور شدن PWM با اعمال جریان کامل به LED در پهنای پالس کاهش یافته حاصل می شود. برای روشنایی 50٪ ، جریان کامل در یک چرخه کار 50٪ اعمال می شود. فرکانس سیگنال PWM باید بیش از 100 هرتز باشد تا اطمینان حاصل شود که نوسان PWM در چشم انسان قابل مشاهده نیست. حداکثر فرکانس PWM به زمان راه اندازی و پاسخ منبع تغذیه بستگی دارد. درایور LED بیشترین انعطاف پذیری و سهولت را در اختیار شما قرار می دهد تا بتواند فرکانس های PWM تا 50 کیلوهرتز را نیز بپذیرد.

   محافظت در مقابل ولتاژ بیش از حد مجاز

   کارکرد منبع تغذیه در حالت جریان ثابت به حفاظت از ولتاژ اضافی نیاز دارد. منبع تغذیه ثابت بدون در نظر گرفتن بار ، یک جریان خروجی ثابت ایجاد می کند. اگر مقاومت در برابر بار افزایش یابد ، ولتاژ خروجی منبع نیز برای تأمین جریان ثابت باید افزایش یابد. اگر منبع تغذیه با مقاومت بیش از حد بار مواجه شود یا بار قطع شود ، ولتاژ خروجی می تواند بالاتر از درجه ولتاژ IC یا سایر اجزای مدار گسسته باشد. برای طراحی مدار چندین طرح محافظت در برابر اضافه ولتاژ برای درایورهای LED با جریان ثابت در دسترس است. یک طرح قرار دادن یک دیود زنر به موازات LED ها است. این ولتاژ خروجی را به ولتاژ شکست زنر به علاوه ولتاژ مرجع منبع محدود می کند. در بر اثر یک ولتاژ اضافه ، ولتاژ خروجی تا جایی که زنر خراب شده و شروع به هدایت می کند ، افزایش می یابد. جریان خروجی از طریق زنر و سپس از طریق مقاومت حسگر جریان به زمین جریان می یابد. در حالی که زنر حداکثر ولتاژ خروجی را محدود می کند ، منبع تولید جریان خروجی ثابت را ادامه می دهد. یک روش ترجیحی بیشتر برای محافظت در برابر اضافه ولتاژ ، نظارت بر ولتاژ خروجی و خاموش کردن منبع تغذیه در زمان رسیدن نقطه افزایش ولتاژ است. خاموش کردن منبع تغذیه در شرایط اضافه ولتاژ باعث کاهش اتلاف برق و افزایش عمر باتری در صورت بروز خطا می شود.

   قطع شدن بار

   یک ویژگی غالباً نادیده گرفته شده در منبع تغذیه درایور LED قطع بار است. قطع اتصال به صورت الکتریکی ، LED ها را از منبع تغذیه حذف می کند ، در صورت غیرفعال بودن منبع تغذیه. این در دو حالت خاموش کردن و کم نور شدن PWM مهم است. همانطور که در شکل زیرنشان داده شده است ، در هنگام خاموش کردن مبدل boost ، بار همچنان به ورودی از طریق دیود سلف و گیرنده متصل است. از آنجا که ولتاژ ورودی هنوز به LED ها متصل است ، جریان کوچکی حتی اگر منبع تغذیه غیرفعال باشد ، همچنان ادامه دارد. جریان نشتی ناچیز به طور قابل توجهی باعث کاهش طول عمر باتری در مدت زمان طولانی خاموش می شود. قطع بار در هنگام کم نور شدن PWM نیز مهم است. در طول زمان خاموش دوره کم نور ، منبع تغذیه غیر فعال است. اما خازن خارج شده هنوز از طریق LED ها متصل است. بدون بار قطع ، خازن خروجی از طریق LED ها تخلیه می شود تا زمانی که پالس کم نور دوباره منبع تغذیه را روشن کند. از آنجا که خازن با شروع هر چرخه کم نور تا حدی تخلیه می شود ، منبع تغذیه باید خازن خروجی را در ابتدای هر سایز کمرنگ شارژ کند. این باعث ایجاد یک افزایش جریان هجومی در طول هر چرخه تخلیه می شود. جریان هجومی کارایی سیستم را کاهش می دهد و گذر ولتاژ را روی گذرگاه ورودی ایجاد می کند. با قطع اتصال ، LED ها از مدار خارج می شوند و در صورت غیرفعال شدن جریان ، جریان نشتی وجود ندارد و خازن خروجی در هنگام کم نور شدن PWM کاملاً شارژ می شود. یک مدار قطع بار بهتر است با قرار دادن یک MOSFET بین LED ها و مقاومت حس جریان. قرار دادن MOSFET بین مقاومت حسگر جریان و زمین افت ولتاژ اضافی ایجاد می کند که خود را به عنوان یک خطا در نقطه تنظیم جریان خروجی نشان می دهد.

   راحتی در استفاده

   در طراحی مدار الکترونیکی ، سهولت استفاده مفهومی نسبی است. سهولت استفاده از مدار نه تنها پیچیدگی طراحی اولیه را در بر می گیرد بلکه شامل هر تلاش آینده برای اصلاح سریع مدار و استفاده مجدد از آن برای برنامه های دیگر است که ممکن است نیازهای کمی متفاوت داشته باشند. به طور کلی استفاده از کنترل کننده های هیستریک بسیار آسان است. یک کنترل کننده هیستریک نیاز به جبران فرکانس پیچیده مورد نیاز در طراحی منبع تغذیه کلاسیک را برطرف می کند. در حالی که جبران فرکانس برای یک طراح باتجربه منبع تغذیه دشوار نیست ، اما بیشتر طراحان تازه کار منبع تغذیه آن را خسته کننده می دانند. از آنجا که جبران بهینه برای شرایط مختلف ورودی و خروجی تغییر می کند ، یک طراحی منبع تغذیه کلاسیک به تغییرات سریع برای شرایط مختلف کار نمی بخشد. یک کنترل کننده هیستریک ذاتاً پایدار است و با تغییر شرایط ورودی و خروجی به هیچ تغییری احتیاج ندارد.

   سایز کوچک

   اندازه کوچک یک ویژگی مهم برای مدارهای قابل حمل است. عوامل مختلفی به اندازه اجزای مدار کمک می کنند. یک عامل فرکانس سوئیچینگ است. فرکانس های سوئیچ بالاتر می توانند از اجزای منفعل کوچکتر استفاده کنند. یک درایور LED مدرن که برای کاربردهای قابل حمل در نظر گرفته شده است باید بتواند در فرکانس های حداکثر 1 مگاهرتز تغییر کند. تعویض در فرکانسهای بیشتر از 1 مگاهرتز معمولاً توصیه نمی شود زیرا به طور قابل توجهی اندازه مدار را کاهش نمی دهد. اما به دلیل تلفات بیشتر سوئیچینگ ، کارایی و عمر باتری کمتری را کاهش می دهد. ادغام ویژگی ها در IC کنترل تنها مهمترین عاملی است که به یک راه حل کوچک درایور کمک می کند. اگر تمام ویژگی های توصیف شده در پاراگراف های قبلی با اجزای مجزا پیاده سازی شوند ، سطح برد مورد نیاز فضای بیشتری از منبع تغذیه را اشغال می کند. ادغام این ویژگی ها در IC کنترل به طور قابل توجهی اندازه کلی درایور را کاهش می دهد. یک مزیت دوم اما به همان اندازه مهم یکپارچه سازی ویژگی ، کاهش هزینه کل راه حل است. به طور مجزا اجرا می شود ، تمام ویژگی های مطلوب درایور LED می تواند شصت تا هفتاد سنت اضافی در هزینه قطعه اضافه کند. این ویژگی ها وقتی در IC کنترل ادغام می شوند ، فقط سکه هایی به هزینه IC اضافه می کنند.