Современные драйверы светодиодов высокой яркости фирмы Maxim

Компания Maxim Integrated Products, Inc. (Саннивейл/Sunnyvale, Калифорния, США) была основана в 1983 г. Джеком Гифордом (Jack Gifford, соучредитель AMD, 11.01.1941 — 11.01.2009 гг). Численность персонала компании более 9000 сотрудников, годовой доход более 2 млрд долларов (2008 г.), фирма располагает 35 технологическими центрами и 25 офисами продаж по всему миру, президент фирмы Tun Doluca [1]. Фирма выпускает чрезвычайно широкую номенклатуру цифровых и аналоговых микросхем, в каталогах 2010 г. значится более 7000 позиций приборов. Микросхемы драйверов светодиодов большой мощности Maxim разделяет на две группы: драйверы светодиодов высокой яркости (High Brightness LED Drivers) и драйверы белых светодиодов (White LED Drivers). Приборы этих групп характеризуются различными наборами классификационных параметров, предметом рассмотрения настоящей статьи являются микросхемы первой группы. В разделе High Brightness LED Drivers (HB LED) каталога фирмы 2010 г. представлено 26 типов микросхем драйверов светодиодов высокой яркости, в разделе White LED Drivers — 47 типов микросхем драйверов белых светодиодов [2], причем некоторые микросхемы фигурируют в обоих разделах каталога (MAX16800-16803, MAX16834). Фирма структурирует выпускаемые HB LED-драйверы по следующим приложениям (рис. 1):

• Architectural Lighting — драйверы для светодиодной подсветки зданий, сооружений, интерьеров помещений, ландшафтов.
• Display Backlight — драйверы для подсветки различных дисплеев автомобилей.
• Exterior Lighting — драйверы для различных фонарей автомобилей.
• Interior Lighting — драйверы для светильников салонов автомобилей.
• Downlights and Flood Lights — драйверы для потолочных светильников с рефлекторами и светодиодные прожекторы.
• LCD TV, Desktop and Notebook Backlight — драйверы для светодиодной подсветки ЖК-дисплеев телевизоров, компьютерных мониторов и ноутбуков.
• Projectors and Rear-Projection TVs — драйверы для светодиодной подсветки телевизионных проекторов.
• Signage — драйверы для подсветки информационных дисплеев в местах общего пользования (ЖК и светодиодные цифровые панели — Digital Signage).

Рис. 1. Структура приложений светодиодов высокой яркости

Для каждого приложения фирма рекомендует определенный набор микросхем драйверов и демонстрационных плат. Однако большая часть микросхем драйверов используется практически в каждом из приложений, в таблице приведены классификационные параметры всех микросхем драйверов светодиодов фирмы из раздела HB _LED Drivers каталога 2010 г. [3].

В настоящей статье рассмотрены особенности некоторых микросхем этого раздела на основе информационных листов данных (Data Sheet) конкретных микросхем, выпущенных или отредактированных фирмой в 2009 г. Полные названия микросхем, а также некоторые термины, приведенные в информационных листах Maxim, могут не совпадать с аналогичными названиями и терминами, используемыми другими производителями полупроводниковых приборов, поэтому в скобках приведены полные оригинальные названия и некоторые термины, используемые фирмой.

MAX16800 — линейный, 40 В / 350 мА, драйвер сверхъярких светодиодов с возможностью регулировки выходного тока (High-Voltage, 350 mA, adjustable Linear High-Brightness _LED Driver). Микросхема предназначена для автомобильных приложений, в том числе для проведения испытаний по стандарту AEC-Q100, но может быть использована и для управления светодиодными лампами общего и промышленного назначения.

Основные особенности микросхемы:

• широкий диапазон напряжения питания и выходного тока (6,5–40 В/35–350 мА);
• нестабильность установленного выходного тока не более ±3,5%;
• встроенный стабилизатор напряжения +5 В;
• встроенные схемы защиты от коротких замыканий и от перегрева;
• дифференциальный вход для датчика (резистора R) выходного тока; _sense
• низкое токопотребление в дежурном режиме (типовое значение 12 мкА);
• проходной регулирующий элемент с малым (0,5 В) падением напряжения (Integrated Pass Element);
• низкий уровень высокочастотных излучений при ШИМ-регулировке яркости свечения светодиодов;
• широкий диапазон рабочих температур (–40…+125 ^oС).

Структура микросхемы приведена на рис. 2, в состав микросхемы входят: стабилизатор напряжения, узел управления, генератор образцового напряжения, стабилизатор выходного тока (I_req), дифференциальный усилитель сигналов датчика выходного тока, схема температурной защиты, ключевой p-MOSFET.

Рис. 2. Структура микросхемы MAX16800

Таблица. Классификационные параметры драйверов HB LED

Назначение выводов:

• 1,16 (OUT) — выход;
• 2, 3 (IN) — вход;
• 4–8, 13, 14 (NC) — не используются;
• 9 (CS+), 10 (CS–) — неинвертирующий/инвертирующий входы усилителя ошибки;
• 11 (V5) — выход стабилизатора напряжения +5 В;
• 12 (GND) — корпус;
• 15 (EN) — вход управления, микросхема включена при высоком уровне сигнала (не менее 2,8 В), выключена — при низком (не более 0,6 В);
• EP — подложка корпуса (Exposed Pad), для лучшего теплоотвода ее необходимо соединить с корпусной шиной платы устройства. Максимальная мощность рассеяния микросхемы 2,7 Вт (при температуре окружающей среды 70 ^oС).

Значение выходного тока I_LED микросхемы зависит от напряжения V_sense на выводах CS+, CS– микросхемы, для тока I_LED = 350±3,5 мА напряжение

V_sense = 204 мВ, сопротивление R_sense определяется из соотношения I_LED = V_sense/R_sense.

При уменьшении входного напряжения V_in менее 6,5 В работоспособность микросхемы сохраняется, однако поддержание установленного выходного тока не гарантируется. Внутренний стабилизатор напряжения +5 В может быть использован для питания внешних устройств с малым потреблением тока (до 4 мА), замыкание вывода V5 микросхемы на корпус выключает схему температурной защиты (схема срабатывает при температуре выводов Tj ≈ 150 ^oС, гистерезис схемы ≈23 ^oС).

ШИМ-управление яркостью свечения светодиодов может осуществляться двумя способами: 1 — при подаче на вход EN ШИМимпульсов, а на вход IN постоянного напряжения (рис. 3а); 2 — при подаче ШИМимпульсов на соединенные между собой входы IN/EN (рис. 3б).

Рис. 3. Типовые включения микросхем MAX16800

Соответствующие временные диаграммы приведены на рис. 4 (f_шим = 200 Гц, скважность 50%, установленный ток I_LED = 350 мА). Как видно из диаграмм, при использовании 1-го способа амплитуда выходного тока в 2 раза меньше, чем при использовании 2-го способа регулировки яркости.

Рис. 4. Временные диаграммы сигналов микросхемы MAX16800: а) входных; б) выходных (ILOAD — предустановленное значение выходного тока)

MAX16803 отличается от MAX16800 наличием дополнительного вывода 13 (DIM), предназначенного для подачи ШИМ-сигнала регулировки яркости светодиода, и схемы для сглаживания выходных импульсов (Wave-Shaped Edges Reduce Radiated EMI DuR_ing PWM Dimming), что уменьшает уровень электромагнитных излучений в режиме ШИМ-регулировки. Цоколевка и типовое включение микросхемы приведены на рис. 5.

Рис. 5. Расположение выводов и включение микросхемы MAX16803

MAX16815/MAX16828 — линейные драйверы с выходным током 100 мА (MAX16815) и 200 мА (MAX16828). Электрические параметры этих микросхем близки к параметрам вышерассмотренных. Отличающиеся параметры: диапазон регулировки выходного тока 35–100/35–200 мА; R_sense = 2/1 Ом, вход DIM имеется.

MAX16818 — высокоэффективный, 1,5 МГц/30 А, драйвер светодиодов с быстрыми изменениями (модуляцией) выходного тока (1,5 МГц, 30 A). Микросхема предназначена для применения в качестве драйверов различных светодиодных прожекторов, в автомобильных фарах, в системах подсветки ЖК-дисплеев больших размеров и других подобных приложениях. Микросхема базируется на импульсном DC/DC-преобразователе с ШИМ-управлением яркостью свечения светодиодов, на ее основе могут быть построены преобразователи в различных конфигурациях: понижающие, повышающие, а также конверторные. Впервые для драйверов светодиодов фирма запатентовала технологию быстродействующего управления со скоростью нарастания тока до 20 А/мкс при частоте ШИМ-сигнала регулировки яркости 30 кГц. Управление светодиодами осуществляется по среднему значению тока, что обеспечивает оптимальное использование MOSFET — даже при выходном токе 30 А необходимы радиаторы минимальных размеров. Для обеспечения прецизионного управления светодиодами в микросхеме применен дифференциальный усилитель сигнала датчика выходного тока. Используется высокая, до 1,5 МГц, частота коммутации DC/DCпреобразователя микросхемы, что способствует уменьшению размеров индуктивных и емкостных элементов схемы. На рис. 6 приведено типовое включение микросхемы в конфигурации Buck-Boost.

Рис. 6. Схема типового включения микросхемы MAX16818 в конфигурации Buck-Boost

Основные особенности микросхемы:

• большой, до 30 А, выходной ток (с внешними MOSFET);
• управление по среднему значению тока (Average-Current-Mode Control);
• дифференциальный вход для датчика выходного тока (True-Differential Remote-_sense Input);
• напряжение питания 4,75–5,5 В или 7–28 В;
• настраиваемая внутренняя или внешняя синхронизация в диапазоне 125 кГц–1,5 МГц;
• противофазный выход тактовой частоты;
• схемы защиты от перенапряжения, перегрузки по току и перегрева;
• широкий температурный диапазон –40…+125 ^oС.

Назначение основных функциональных выводов микросхемы:

• 3 (DL), 6 (DH) — выходы нижнего/верхнего драйверов затворов;
• 9 (CLKOUT) — выход тактового генератора;
• 12 (RT/SYNC) — вход установки частоты коммутации;
• 14 (LIM) — вход установки уровня ограничения тока;
• 15 (OVI) — вход компаратора схемы защиты от перенапряжения;
• 16 (СLP) — выход усилителя ошибки по току;
• 17 (EAOUT) — выход усилителя ошибки по напряжению;
• 18 (EAN) — инвертирующий вход усилителя ошибки по напряжению;
• 19 (DIFF) — выход дифференциального усилителя датчика тока (Differential Remote-sense Amplifier Output);
• 23, 24 (SENSE-, SENSE+) — входы дифференциального усилителя сигналов датчика тока;
• 26 (IN), 27 (Vcc) — вход/выход внутреннего LDO-стабилизатора +5 В;
• 28 (Vdd) — напряжение питания драйверов затворов.

MAX16821A/B/C — мощные синхронные драйверы светодиодов высокой яркости с быстрыми изменениями выходного тока. Микросхемы предназначены для использования в портативных и стационарных проекторах, в светодиодных прожекторах, в том числе в автомобильных фарах и других приложениях. Микросхемы базируются на импульсных DC/DC-преобразователях с ШИМуправлением яркостью светодиодов.

Преобразование осуществляется в конфигурациях Buck, Boost, Buck-Bust, SEPIC, Cuk LED, их переключение осуществляется внешними логическими сигналами. Микросхемы, по данным компании-разработчика, являются первыми мощными драйверами, поддерживающими управление светодиодами высокой яркости с общим анодом. Приборы обеспечивают управление по среднему значению тока, что позволяет применять радиаторы охлаждения минимальных размеров. Отметим особенности, отличающие их от MAX16818. Высокая, 0,1/0,03 В, чувствительность дифференциального усилителя датчика выходного тока, что позволяет уменьшить сопротивление датчика R_sense и повысить эффективность преобразователя. Схема защиты от перенапряжений без фиксации состояния. Нижний и верхний драйверы без или с синхронным выпрямлением. Типовое включение микросхем в конфигурации SEPIC приведено на рис. 7, назначения выводов микросхем и MAX16818 практически полностью совпадают, отличается назначение вывода 10 (MODE) у MAX16821 — вход переключения режимов Buck/Boost (лог. «0» — Buck, лог. «1» — Boost).

Рис. 7. Схема типового включения микросхемы MAX16821A/B/C в конфигурации SEPIC

MAX16822А/В — драйверы HB LED с высокой, до 2 МГц, частотой переключения, встроенными MOSFET и датчиком тока верхнего драйвера, в качестве выходного ключа использован DMOS (65 В/0,85 Ом). Микросхемы предназначены для светодиодных ламп промышленного, общего, автомобильного и других приложений. Микросхемы выполнены в конфигурации Buck и обеспечивают выходной ток до 350 мА при температуре +125 ^oС и 500 мА при 105 ^oС. Использование датчика тока в цепи стока ключевого транзистора позволяет получить широкий диапазон ШИМ-регулировки яркости и малый уровень пульсаций выходного тока (10% у MAX16822A). Типовое включение микросхем приведено на рис. 8, терморезистор с отрицательным ТКС (NTC) используется как опция.

Рис. 8. Схема типового включения микросхем MAX16822A/B

Основные особенности микросхем:

• высокоэффективные приложения (КПД более 95%);
• широкий диапазон напряжения питания (6,5–65 В);
• высокие характеристики выходного ключа (R_on = 0,85 Ом);
• гистерезисное управление: частота переключения до 2 МГц (Hysteretic Control);
• нестабильность выходного тока не более ±3%;
• установка выходного тока внешним резистором;
• температурная компенсация изменений параметров светодиодов.

Назначения выводов:

• 1 (CS) — вход датчика выходного тока;
• 2 (IN) — напряжение питания;
• 3 (GND) — корпус малосигнальных узлов;
• 4 (PGND) — силовой корпус;
• 5, 6 (LX) — вывод стока MOSFET;
• 7 (DIM) — вход ЩИМ-регулировки яркости свечения светодиодов;
• 8 (TEMP_I) — вывод для подключения термистора к схеме термокомпенсации (Thermal Foldback Control).

MAX16824, MAX16825 — трехканальные, 28/36 В, линейные драйверы светодиодов высокой яркости. Микросхемы предназначены для светодиодных ламп промышленного и бытового назначения, для подсветки ЖКдисплеев, освещения салонов автомобилей и других приложений. В микросхеме MAX16824 имеется три входа для ШИМ-регулировки яркости в широком диапазоне, MAX16825 управляется через 4-проводной последовательный интерфейс. Типовые включения микросхем приведены на рис. 9.

Рис. 9. Схема типового включения микросхем MAX16824

Основные особенности микросхем:

• широкий диапазон питающих напряжений (6,5–28 В), до 36 В при большом числе светодиодов в цепи;
• три независимых канала с возможностью раздельной установки выходных токов в каждом;
• выходной ток 150±5 мА на канал;
• независимое ШИМ-управление яркостью свечения светодиодов в каждом канале (MAX16824);
• управление яркостью по последовательному интерфейсу (MAX16825);
• встроенный стабилизатор напряжения +5 В (4 мА) для внешних устройств;
• быстрое реагирование на изменение яркости (Fast Transient Dimming Response);
• малое падение напряжения на резисторах датчиков выходного тока для увеличения эффективности;
• схема температурной защиты, диапазон рабочих температур –40…+125 ^oC.

MAX16826 — 4-канальные драйверы HB _LED с возможностью регулировок, оптимизацией выходного напряжения и детектором отказов (Programmable, Four-StR_ing HB _LED Driver with Output-Voltage Optimization and Fault Detection).

Микросхема предназначена для автомобильных и промышленных дисплеев, а также для систем подсветки ЖК-телевизоров и мониторов. В микросхеме интегрированы DC/DC-преобразователь напряжения, 4-канальный линейный драйвер светодиодов, АЦП и I²C интерфейс управления. Импульсный преобразователь напряжения реализуется в конфигурациях Boost и SEPIC, частота переключения устанавливается в диапазоне 100 кГц–1 МГц. Линейный 4-канальный драйвер с токовым управлением и с защитой от отказов может формировать все оттенки белого света, RGB и RGB плюс янтарный цвет. Встроенный АЦП измеряет напряжение на стоках MOSFET и выходе DC/DC-преобразователя. Эти измерения по интерфейсу I²C подаются на внешний микропроцессор, обеспечивающий регулировку цветового баланса и других цветовых параметров. Типовое включение микросхемы в конфигурации SEPIC приведено на рис. 10.

Рис. 10. Схема типового включения микросхемы MAX16826 в конфигурации SEPIC SYSTEM

MAX16832A/C — драйверы светодиодов высокой яркости с частотой переключения до 2 МГц, интегрированным MOSFET и датчиком R_sense в цепистока MOSFET. Схема включения и назначения выводов микросхем соответствуют приведенным на рис. 8 для микросхем MAX16822A/B. Отличия микросхем от MAX16822: выходной ток до 1 А, MOSFET — R_on = 0,45 Ом.

MAX16834 — мощный драйвер светодиодов с датчиком R_sense в цепи стока внешнего MOSFET и ШИМ-регулировкой яркости другим внешним MOSFET. Сферы применения: автомобильные передние и задние лампы, проекционные RGB-лампы, светильники точечного и окружающего света, а также в качестве DC/DC-преобразователей в конфигурациях Boost/Buck-Boost. Микросхема в режиме токового управления может работать в конфигурациях Boost, Buck-Boost, SEPIC, High-Side Buck. Типовое включение микросхемы в конфигурации Buck-Boost приведено на рис. 11.

Рис. 11. Типовая схема включения микросхемы MAX16834

Основные особенности микросхемы:

• широкий диапазон питающих напряжений (4,75–28 В);
• возможность работы при напряжении более 28 В с внешним ограничителем напряжения на выводе V_in;
• широкий диапазон регулировки яркости свечения светодиодов (3000:1) с ШИМ и аналоговой регулировкой;
• интегрированный ШИМ MOSFET-драйвер регулировки яркости;
• интегрированный усилитель датчика R_sense в цепи стока MOSFET для конфигурации Buck-Boost;
• регулируемая частота переключения в диапазоне 100 кГц–1 МГц;
• вход внешней синхронизации, регулируемый порог срабатывания схемы защиты от перенапряжений;
• встроенный стабилизатор напряжения +7 В с низким падением напряжения на проходном транзисторе;
• выход сигнала срабатывания (тревоги) схем защиты от перегрузки по току, напряжению и перегрева;
• регулируемая дифференциальная схема защиты от перенапряжения.

MAX16836 — 40 В/350 мА драйвер сверхъярких светодиодов с ШИМ-управлением яркостью свечения и встроенным стабилизатором напряжения +5 В. Структура и расположение выводов микросхемы такие же; как у MAX16800 (схема включения приведена на рис. 3), за одним исключением: имеется дополнительный вход DIM (вывод 13) для подачи ШИМ-сигнала регулировки яркости свечения светодиодов. Существенных отличий у обеих микросхем нет. В сентябре 2009 г. фирма анонсировала линейный драйвер светодиодов высокой яркости MAX16839 (рис. 12).

Рис. 12. Внешний вид драйвера MAX16839

Основные особенности микросхемы:

• напряжение питания 5–40 В;
• встроенный проходной транзистор с открытым стоком;
• регулируемый в пределах 15–100 мА выходной ток, ШИМ-управление яркостью;
• детектор обрыва светодиодов, корпуса TDFN-EP-6, SO-EP-8 (отпускная цена в США 510 долл. за 1000 шт.).

В информационных листах рассмотренных микросхем приведена вся информация, необходимая для расчета конкретных реализаций устройств. В каталоге фирмы 2010 г. имеются демонстрационные платы, имеющие наименования, состоящие из наименования микросхемы и окончания EVKIT (Evaluation Board MAX16839EVKI). Габаритные чертежи корпусов рассмотренных микросхем приведены на сайте журнала — http://LED-e.ru/Drafts_JPEG.zip

Перечень использованных сокращений

SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter) — напряжение на выходе преобразователя этого типа может быть как больше, так и меньше входного, что обеспечивается наличием разделительного конденсатора и дополнительного дросселя на выходе (С25, L2 на рис.10).

Cuk LED — напряжение на выходе преобразователей этого типа имеет отрицательную полярность относительно общего провода (в схемах используются дополнительные разделительный конденсатор, дроссель, выпрямитель и LC-фильтр).

MOSFET (Metal-oxide-semiconductor Field Effect Transistor) — МОП (МДП) полевой транзистор.

DMOP (Double-diffused Metal-oxide-semiconductor) — сокращенное название полевого транзистора, имеющего структуру, изготовленную методом двойной диффузии.

Литература

1. http://www.maxim-ic.com/company/
2. http://www.maxim-ic.com/products/display/
3. http://para.maxim-ic.com/en/search.mvp?fam=hbled&tree=master

1 — Светодиоды большой мощности (прим. редакции).