Vyšší odběry LED se s malým vstupním napětím nevylučují

V moderních osvětlovacích systémech zahrnujících např. přední světlomety u automobilů, průmyslové nebo též komerční značení, nasvícení budov a stejně tak i řadu aplikací ze spotřební elektroniky se s výkonovými LED potkáváme stále častěji.

Za přechodem k technologii svítivých diod přitom stojí zcela jasné výhody pevné struktury v porovnání s tradičními zdroji světla – vysoká účinnost přeměny elektrické energie na výstupu generujícím světlo a samozřejmě též dlouhá životnost.

S rostoucím polem působnosti pro osvětlení založené na technologii LED se budou zvyšovat i požadavky na proudy tekoucí diodami s cílem zajistit silnější výstupy. Při napájení řetězců diod s velkými provozními odběry bude jeden z nejtěžších úkolů spočívat v udržení vysoké účinnosti bloku měniče zodpovědného za náležitě stabilizovaný proud LED. Nehospodárnost napájecího zdroje se zde projevuje ve formě nežádoucího ohřevu způsobeného spínacími prvky obvodů regulátoru proudu.

Za účelem omezení ztrát, které obvykle pozorujeme v systémech s výkonnými zvyšujícími budiči LED, byl navržen i obvod LT3762 – synchronně zvyšující kontrolér pro svítivé diody. Součástka tak svým synchronním provozem pomáhá minimalizovat ztráty vznikající zpravidla kvůli napěťovému úbytku catch diody asynchronního DC/DC měniče v propustném směru. Vyšší účinnost umožňuje obvodu LT3762 dodávat na výstupu mnohem větší proud, než dokážou obdobné asynchronní zvyšující budiče LED, zvláště pak při uvážení malých vstupních napětí. Abychom dosáhli lepších výsledků i s nízkým napětím na vstupu, najdeme zde vlastní DC/DC regulátor zajišťující pro obvody budiče hradla napětí 7,5 V, a to i v případě, dostaneme- li se na vstupu pod zmíněnou úroveň 7,5 V. Navzdory malým vstupním napětím a v důsledku silného zdroje pro buzení hradla budou MOSFETy s klesajícím napětím na vstupu generovat méně tepla, což rozšiřuje spodní hranici provozního vstupního rozsahu až na 3 V.

Zmíněný zvyšující kontrolér pro svítivé diody může být konfigurován tak, aby pracoval s pevným spínacím kmitočtem mezi 100 kHz a 1 MHz spolu s volitelnou kmitočtovou modulací v rozprostřeném spektru (–30 % ∙ fSW) pro potlačení špiček souvisejících se spínáním (EMI). Obvody LT3762 lze při napájení LED provozovat se zvyšující, snižující nebo zvyšující/snižující topologií. Oddělující spínač PMOS na vyšší straně napájení usnadňuje stmívání s PWM a chrání součástku před možným poškozením způsobeným přerušenými či zkratovanými LED.

LT3762 nabízí interní generátor PWM využívající jediného kondenzátoru a také stejnosměrného napětí k nastavení kmitočtu a šířky pulzu s uvážením poměru PWM stmívání až 250:1, zatímco za předpokladu externího signálu se lze dostat až na 3 000:1. Schéma zapojení na obr. 2 zachycuje ukázkovou aplikaci (DC2342A) s využitím obvodu LT3762 přizpůsobeného tak, aby se vstupním napěťovým rozsahem 4 V až 28 V dodal svítivým diodám při průtoku 2 A napětí až 32 V. Synchronně zvyšující kontrolér LT3762 určený pro LED výrobce nabízí v pouzdrech typu QFN o rozměrech 4 × 5 mm a také 28vývodových verzích TSSOP.

Synchronní spínání

U topologií asynchronního DC/DC měniče slouží Schottkyho catch diody jako pasivní spínače zjednodušující řízení struktury ovládající jediný MOSFET prostřednictvím šířky pulzu. Zatímco z hlediska řízení si celou věc zjednodušíme, dochází zároveň k omezení velikosti proudu dodávaného na výstupu. Jako součástky s PN přechodem provází Schottkyho diody úbytek napětí v propustném směru vznikající dříve, než prvkem začne procházet jakýkoli proud. Vzhledem k tomu, že výkon rozptýlený na diodě stanovíme na základě napěťového úbytku v propustném směru a protékajícího proudu, mohou ztráty související s vedením proudu dosahovat při jeho nadměrných velikostech na výstupu i několika wattů. Schottkyho dioda se zahřívá a negativním způsobem ovlivňuje účinnost měniče.

Synchronně spínající zdroj s LT3762 však stejná omezení výstupního proudu, jako je tomu v případě asynchronního návrhu, řešit nemusí. Synchronní měniče totiž Schottkyho diodu nahrazují druhým MOSFETem. Tranzistory MOSFET na rozdíl od Schottkyho diod s pojmem úbytek napětí v propustném směru nepracují. Budeme zde spíše uvažovat malý odpor vznikající za plného otevření součástky mezi vývody drain a source. Ztráty při vedení způsobené MOSFETem budou za předpokladu vysokých proudů výrazně nižší než v případě Schottkyho diod. Výkonová ztráta je totiž při započítání příslušné druhé mocniny úměrná součinu odporu mezi vývody drain a source a proudu tekoucího součástkou. Dokonce i pro nejnižší vstupní napětí 7 V umožňující dosahovat plného výkonu provází MOSFETy zvýšení teploty zhruba jen o 30 °C, přesně jak to pozorujeme na obr. 3.

Práce s nízkým vstupním napětím

Další náročná oblast pro výkonné zvyšující kontroléry vyhrazené svítivým diodám vyplouvá na povrch za předpokladu nízkého vstupního napětí. Většina integrovaných zvyšujících DC/DC regulátorů využívá vlastního stabilizátoru napětí s LDO napájeného ze vstupu obvodu s cílem zajistit pro analogové a také číslicové řídicí struktury uvnitř součástky nižší úrovně. Z obvodů odebírajících energii z interního LDO bude mít nejvyšší spotřebu budič hradla, přičemž jeho vlastnosti negativně ovlivňuje právě kolísání výstupu stabilizátoru. Když pak napětí na vstupu klesne pod úroveň výstupního napětí LDO, výstup stabilizátoru začíná kolabovat a omezuje tak schopnost budiče hradla náležitě ovládat MOSFETy. Pokud ale nedochází k úplnému obohacení kanálu, tranzistory pracují s vyšším odporem a formou tepla se na nich při průchodu proudu ztrácí výkon.

Malé vstupní napětí u topologií zvyšujícího měniče znamená vyšší vstupní proud, který za předpokladu průchodu přes MOSFET s vyšším odporem navyšuje ztráty při vedení. V závislosti na velikosti napětí budiče hradla to pak může u regulačního integrovaného obvodu zásadně omezovat spodní hranici vstupního napěťového rozsahu, kterou bez rizika přehřívání součástka s přehledem zvládne.

Obvod LT3762 místo LDO nabízí vlastní snižující – zvyšující DC/DC regulátor zajišťující pro interní prvky 7,5 V, a to i za předpokladu nízkého vstupního napětí. Zmíněná regulace ve stylu „buck-boost“ vyžaduje pouze tři vývody integrovaného obvodu LT3762 spolu se dvěma dalšími součástkami. V porovnání se strukturami vybavenými interním LDO, které mají minimální vstupní napětí 4,5 V a 6 V, mohou obvody LT3762 rozšířit svůj vstupní pracovní rozsah a začínat již na 3 V. Výstup snižujícího – zvyšujícího měniče na úrovni 7,5 V dodává energii budiči hradla, zatímco podporuje nasazení MOSFETů popsaných na vstupu 6 V / 7 V. Tranzistory MOSFET s vyšším napětím ovládajícím hradlo většinou vykazují menší odpory mezi vývody drain a source a s výjimkou ztrát provázejících spínání pracují efektivněji než jejich protějšky s nižším napětím pro buzení vstupu.

Flexibilní topologie

Podobně jako většinu dalších zvyšujících budičů LED od ADI lze obvody LT3762 nakonfigurovat, aby napájely svítivé diody ve zvyšující konfiguraci a také snižujícím nebo zvyšujícím – snižujícím způsobem, tj. v režimech buck, buck-boost, resp. boost-buck. Ze zmíněných variant – topologií zvyšujícího měniče nabízí výrobcem chráněná konfigurace v režimu „boost-buck“ schopnost pracovat jako zvyšující – snižující měnič s přidanou hodnotou v podobě provozu zohledňujícího nízké EMI. Tato topologie využívá dvou indukčností pro vstup a výstup napomáhajících s filtrací rušení generovaného při spínání. Indukčnosti usnadňují potlačení EMI, včetně vazeb na vstupní napájení nebo další obvody, které mohou být připojeny, stejně jako zátěž složenou z LED.

Abychom ochránili uzel LED− pro případ zkratu vůči zemi, můžeme k topologii pracující v režimu boost-buck přidat další obvody. Schéma zapojení se zmíněnou konfigurací obvodu LT3762 a také přídavnou ochranou vidíme na obr. 5. V případě bodu LED− zkratovaného se zemí tranzistor M4 vypíná, blokuje tím trasu vedoucí na vstup skrz indukčnosti a zabraňuje nadměrnému průtoku proudu. Během vynuceného vypnutí M4 stahuje D3 vývod EN/UVLO k nízké úrovni a brání měniči ve spínání až do okamžiku, kdy podmínky zkratu pominou. Pokud takovou doplňkovou ochranu použijeme ve spojení s vestavěnou detekcí přerušení či zkratu u obvodu LT3762, dostáváme robustní řešení se schopností ustát v náročných podmínkách řadu poruchových stavů.

Závěr

Asynchronní zvyšující měniče se často usilovně snaží zajistit vysoké výstupní proudy, aniž by je přitom musely za běžných podmínek provázet masivní výkonové ztráty spolu s ohřevem catch diody. Kromě ztrát vznikajících na Schottkyho diodě vedou takové měniče další boj za udržení maximálního výstupního výkonu navzdory klesajícímu vstupnímu napětí, což ovšem limituje výsledky dosahované napříč vstupním rozsahem. Pro vyšší úrovně výkonu prostě nejsou asynchronní DC/DC měniče vhodné, takže k zajištění požadovaných specifikací bude nutné synchronní spínání.

Dodávku vyšších výstupních proudů na základě synchronního přístupu řeší zvyšující kontrolér pro svítivé diody LT3762. Díky vlastnímu DC/DC měniči dokáže pracovat s daleko menším vstupním napětím a pro svou flexibilitu jej využijeme v celé řadě topologií.