Светодиоды (Light-emitting diodes (LEDs)) – это полупроводниковые приборы способные излучать свет при прохождении через них электрического тока. Но для получения максимальной эффективности светодиода необходимо применение специальных устройств – светодиодных драйверов (LED-драйверов), которые повышают эффективность использования, надежность и долговечность.
Светодиодные драйверы – это электрические устройства, которые предотвращают повреждения светодиодов путем регулирования их прямого напряжения VF, которое изменяется при изменении температуры и тем самым защищают светодиод от теплового пробоя, при этом обеспечивая постоянный ток на нем.
Устойчивый рост светодиодных технологий для освещения сформировал на полупроводниковом рынке широкий спектр LED-драйверов. Некоторые из основных направлений развития, такие как: затемненные лампы, автомобильное освещение, светодиодные вывески, а также подсветки смартфонов и телевизоров продолжают активно развиваться.
Рассмотрим пять основных продуктов, использующих LED-драйверы.
Затемненные лампы малых форм-факторов
Многие светодиодные приложения используют настройки включения/отключения, а затемнение помогает решить вопрос с уменьшением потребления электроэнергии. Есть два популярных метода затемнения в цепях LED-драйверов – аналоговое и широтно-импульсное (ШИМ).
Аналоговое затемнение использует способ изменения тока светодиода. Этот способ является приемлемым далеко не для всех устройств, так как с изменением тока может изменятся цвет светодиода. Регулирование затемнения с использованием ШИМ позволяет производить регулирование тока на больших частотах, что позволяет избежать эффекта мерцания.
Одной из ключевых проблем является спаривание светодиодных ламп с TRIAC или диммерами с фазным управлением, которые не предназначаются для питания полупроводниковых ламп. Тем не менее, существуют продукты, которые могут быть использованы в этой сфере. Например, LYTSwitch-7 от Power Integrations, схема которого приведена выше. Это понижающий LED драйвер IC с понижающей топологией и коэффициентом мощности выше 0,9. Он совместим с TRIAC диммерами мощностью до 22 Вт. Интегрированные 735 В MOSFET транзисторы обеспечивают достойную защиту от перенапряжений на линии. Его конструкция предлагает широкий выбор входных напряжений (90 В – 308 В переменного тока), а фильтр EMI pi блокирует электромагнитные шумы и помехи. Пассивное демпфирование и одна катушки индуктивности используется для управления TRIAC.
Автомобильное освещение
Рынок светодиодных изделий для автомобильной техники постоянно растет. Практически каждое устройство освещения автомобиля включает в себя характерный LED драйвер. Он применяется для реализации энергосберегающих технологий и улучшения освещения. В зависимости от применения иногда лучше использовать линейные драйверы. Это зависит от места расположения светотехники в автомобиле, например, снаружи или в салоне, спереди или сзади, сверху или снизу. В зависимости от условий размещения будет зависеть процесс рассеивания тепла на разных уровнях.
Светодиодные освещение может улучшить безопасность водителей и пешеходов за счет повышения дальности видимости при режимах работы ON, OFF, или в затемненном режиме. Светодиодные фары представляют ряд проблем, так как выходное напряжение может изменятся в зависимости от условий. Таким образом, для повышения производительности требуются понижающие и повышающие топологии.
Например, S6BL112A Buck LED драйвер от Cypress поддерживает аналоговые и ШИМ функции затемнения. Он позволяет пользователю регулировать частоту от 205 кГц до 2,1 МГц. Частота коммутации FOSC программируется с помощью внешнего резистора RRT подключенного между RT и GND.
Cypress’ S6BL112A автомобильный LED драйвер оснащен диапазоном входных напряжений 4,5 V – 42 V, что позволяет ему работать в самых жестких условиях эксплуатации, например при холодном запуске двигателя. Это вызвано тем, что при холодном запуске двигателя стартер «тянет» от аккумулятора максимальный ток. S6BL112A также может функционировать в течении дампа нагрузки, вызванного скачком напряжения, возникающим при отключении аккумулятора и работающем генераторе автомобиля.
16х16 светодиодные дисплеи
16х16 дисплеи набирают популярность, так как они прекрасно подходят для использования на открытом воздухе для таких устройств как рекламные щиты, знаки общественного транспорта и друге системы. Большинство светодиодных дисплеев использует матрицу 8х8 и не могут передавать данные многих международных буквенно-цифровых символов. С дисплеем 16х16 можно создавать надписи на разных языках, однако это требует большего количества полупроводниковых элементов.
Недавно Maxim Integrated выпустила свою эталонную разработку MAXREFDES99, которая объедияет четыре MAX7219 LED драйвера для создания 16х16 дисплея с 256 светодиодами. MAXREFDES99 может питатся от wall-wart преобразоваателя, который имеет минимальную мощность 7 Вт и обеспечивает выходное напряжение в диапазоне от 7,5 В до 12 В постоянного тока. Данная разработка может работать как с Arduino, так и с ARM mbed платформами.
MAX7219 представляет собой компактный последовательный ввод/вывод с общим катодом драйвер дисплея, который взаимодействует с микропроцессорами (µPs) для семисегментных цифровых светодиодных дисплеев из восьми цифр, бар-граф дисплеев, или 64 отдельных светодиодов.
Подсветки смартфонов
Светодиоды позволяют создавать более тонкие конструкции задней подсветки при поддержке более расширенных архитектур, которые позволяют уменьшить площадь печатной платы и ее стоимость. Количество светодиодов будет изменятся в зависимости от размеров экрана смартфона. Большие дисплеи требуют большего количества полупроводников для реализации фоновой подсветки.
Индуктивные драйверы (индуктивные DC-DC преобразователи) очень эффективны при управлении несколькими строками светодиодов. Они приводят к большей экономии заряда батареи в процессе работы, чем одиночные строки LED.
AMS’ AS3492 (показан на рисунке выше) представляет собой индуктивный преобразователь постоянного тока, который может управлять пятью строками с двумя светодиодами последовательно в каждой с КПД 86%. Преобразователь тока работает на фиксированной частоте в 2 МГц и включает в себя мягкий пуск для обеспечения простой интеграции чувствительных к шуму радиочастотных систем.
Выход преобразователя постоянного тока используется для пяти источников тока, соединенных с 10 светодиодами. AS3496 имеет следующие встроенные механизмы защиты: от короткого замыкания (SLP), от обрыва цепи (OLP) и от перенапряжений (OVP). Этот драйвер управления подсветкой был специально разработан для мобильных телефонов и цифровых камер.
Подсветки телевизоров
Светодиоды должны заменить люминесцентные лампы с холодным катодом и жидко-кристаллические дисплеи во многих телевизорах, мониторах, ноутбуках и других электронных вещях.
Блок подсветки в телевизоре или мониторе является основным источником потребления электрической энергии. Светодиоды могут предложить значительное снижение потребляемой мощности с помощью различных архитектур подсветки – прямой или подсветки по краю. При использовании архитектуры с краем подсветки светодиоды будут окружать только края дисплея. Такой подход дает экономию энергозатрат за счет снижения количества полупроводниковых элементов. При использовании прямой архитектуры светодиоды устанавливаются позади дисплея. При этом улучшается контрастность, но увеличивается стоимость.
Используют два основных режима затемнения – глобальное затемнение (все строки отображаются серым цветом) и локальное затемнение (строки производят затемнение независимо друг от друга).
Среди продуктов, ориентированных на этот рынок находится MC34844 компании NXP Semiconductor – светодиодный драйвер для подсветки малых и средних LCD панелей. Он работает и в портативных устройствах с низким энергопотреблением (например, мониторы и HDTV до 42 В, персональные компьютеры и ноутбуки, GPS-экраны, телевизоры с маленьким экраном и прочих продуктах). Работая от напряжений лежащих в диапазоне 7 В – 28 В MC34844 способен управлять 160 полупроводниковыми элементами, находящимися в 10 параллельных строках. Встроенный повышающий преобразователь генерирует минимальное выходное напряжение, которое необходимо для сохранения всех светодиодов в подсвеченном одинаковым цветом состоянии в соответствии с выбранным током. Эффективность DC-DC преобразователя в этом случае составляет 90%. MC34844 включает в себя ШИМ модуляцию для светодиодного затемнения. Также могут использоваться внешние ШИМ.
MC34844 обеспечивает защиту от перегрева, короткого замыкания, обрыва цепи светодиода. IC включает в себя защиту от перенапряжения, перегрузки по току и пониженного напряжения. Для достижения напряжения необходимого для запуска нескольких светодиодов в ряде, повышающий преобразователь генерирует повышенное напряжение от источника с меньшим напряжением, используя при этом целый ряд логических блоков.
Есть много подходов к управлению LED устройствами. Каждое устройство может отличаться, а драйверы LED могут обеспечивать необходимую эффективность и надежность путем подбора соответствующих параметров. По мере развития технологий LED системы также будут улучшаться, и мы будем узнавать о все более эффективных подходах к управлению освещением. Мы увидим скорую интеграцию LED в системы интернет вещей IoT, так как с каждым годом количество умных городов и зданий постоянно растет.
