In toepassingen met een korte levensduur volstaat het om led’s die een lage stroom voeren in te stellen via een voorschakelweerstand; maar in applicaties die vragen om een hoge betrouwbaarheid, een lange levensduur, hoog rendement of een goede lichtkwaliteit zijn er betere methoden nodig om de diode te voeden en te regelen.
Een voeding die werkt als een constante stroombron kan de toleranties die inherent zijn aan led’s met een hoge helderheid compenseren. Wat van deze toepassingen wordt gevraagd is het realiseren van oplossingen om led’s beter aan te sturen: PWM controllers, geïntegreerde spanningsregelaars die een constante stroom leveren en schakelende voedingen die in staat zijn om aan de eisen van led-toepassingen te voldoen. Microchip’s MCP19114 is ontwikkeld om aan veel van deze doelstellingen te beantwoorden.
De productie van led’s levert nog steeds een grote spreiding op in de voorwaartsspanning (stroom door de componenten bij een bepaalde spanning), lichtstroom in lumen (lichtsterkte bij een ingestelde stroom) en de kleurzuiverheid (kleurkwaliteit). De fabrikanten van led’s doen er alles aan om hun producten te sorteren (binning) om zodoende een homogeen product te kunnen garanderen. Naast een goede led-binning kan ook een goed ontworpen voeding de beperkingen van het led-fabricageproces compenseren.
Het ontwerpen van een schakeling die een consistente lichtopbrengst en een goede kleurkwaliteit biedt is geen sinecure. Immers, de lichtopbrengst van een led is niet lineair met de stroom door deled; de led-stroom is niet lineair met de voorwaartsspanning en de led-voorwaartsspanning is niet lineair met de temperatuur. Bovendien veranderen deze verhoudingen tijdens de levensduur van de component. De uitdaging is nog groter bij toepassingen waarbij kleuren worden gemengd, dus waar meerdere led’s gerelateerd ten opzichte van elkaar moeten worden geregeld.
Een effectieve voeding moet in staat zijn om de uitgangsstromen nauwkeurig te regelen en de verlichting selectief te dimmen met een PWM-signaal. De voeding dient te compenseren voor fluctuaties die voorkomen in de ingangsspanning en de belasting, over tijd en temperatuur. De MCP19114 integreert een 8-bit microcontroller, een A/D-omzetter en meerdere I/O pennen. Deze kunnen worden geprogrammeerd voor het bewaken en instellen van de belangrijkste prestatieparameters. Als bijvoorbeeld de lichtopbrengst een bekende functie van de temperatuur is, en de led-temperatuur door de A/D-omzetters wordt gelezen met behulp van een zich op afstand bevindende thermistor, dan kan de controller de stroom beperken of de uitgangsspanning van de voeding moduleren om de gemeten temperatuur te compenseren en zodoende een constante lichtopbrengst te handhaven. Dit is een speciale functie van voedingsspanningscontrollers die veel verder gaat dan de mogelijkheden van een simpele schakelende spanningsregelaar.
Betrouwbaarheid en levensduur
Led-lichtbronnen hebben een extreem lange levensduur, tot soms wel 100 000 uur. Dit brengt twee potentiële problemen met zich mee: de stuurschakeling moet even lang meegaan als de led zelf en de stuurschakeling moet er voor zorgen dat de led langdurig blijft werken onder acceptabele omstandigheden. Een goed ontworpen voedingsschakeling kan aan beide eisen voldoen.
Als led’s worden overstuurd lijden ze schade door enkele negatieve effecten. Het lichtrendement van de component daalt omdat ze minder licht per eenheid van het ingangsvermogen leveren; de kleurtemperatuur en de kleurzuiverheid verschuiven en de levensduur van de component neemt af. Bij hogere stromen kan de totale lichtopbrengst in de praktijk dalen als de stroom toeneemt. In extreme gevallen kan elektromigratie in de led of het smelten van de interne verbindingsdraden tot een vroeg einde leiden.
Overdadige hitte vermindert eveneens de levensduur van de component. Dit manifesteert zich in eerste instantie als verminderde lichtopbrengst en een lager lichtrendement, hetgeen uiteindelijk kan leiden tot uitval. Bepaalde led’s zijn geschikt om bij een temperatuur van 100 °C te werken, maar ze hebben allemaal een temperatuurgrens waarop de diode dient te worden afgeschakeld. Daarom worden led’s met een hoge lichtopbrengst vaak gemonteerd op koelplaten, waarbij de afmetingen van de koelplaat worden bepaald door de slechtste bedrijfsomstandigheden. Er zijn ook andere manieren om dit probleem op te lossen. Een intelligentere led-stuurtrap kan de temperatuur van de led meten met een thermistor of temperatuursensor en dan kan de uitgangsstroom in overeenstemming daarmee worden afgeregeld. Microchip’s MCP19114 en MCP19115 analoge voedingscontrollers met digitale uitbreidingen integreren een A/D-omzetter die de veranderingen kan volgen die in de led-temperatuur optreden. Afhankelijk van de toepassing kan de controller worden geprogrammeerd om de led te dimmen als deze oververhit raakt. Bij extreme temperaturen kan de controller eveneens reageren door de toepassing af te schakelen om schade te voorkomen. Zowel de schakeldrempel als de gewenste reactie kan worden geconfigureerd in firmware. Onder bepaalde omstandigheden kan er dan worden volstaan met kleinere koelplaten, wetend dat de voeding in staat is om de led-temperatuur te regelen onder buitengewone omstandigheden.
Het detecteren en melden van storingen is steeds vaker gewenst bij voedingstoepassingen. Bij het toepassen van led-verlichting kan dit betrekking hebben op het detecteren van open of kortgesloten circuits of verschuivingen in de voorwaartsspanning in de led-string. Met behulp van de geïntegreerde I2C interface kan de MCP19114 controller die informatie van de led-voeding aan het systeem melden en toekomstige problemen herkennen. In een veiligheidskritisch systeem kan dit waardevolle informatie opleveren. Het systeem zou kunnen worden geconfigureerd om continu de prestaties van het circuit te bewaken, of er kunnen op verzoek diagnostische testen worden gedraaid.
Analoge spanningsomzetter met digitale uitbreidingen, voor het sturen van led’s met een hoge helderheid, ondersteunt een viertal topologieën en is via interne firmware instelbaar.
Rendement
Om volledig te kunnen profiteren van het hoge omzettingsrendement van een led-overgang, moet die lichtbron worden geregeld door een efficiënte voeding. De MCP19114 ondersteunt boost, SEPIC en flyback topologieën. De compensatie kan flexibel worden aangepast aan de gewenste topologie door middel van een configureerbare hellingcompensatie, nauwkeurig te kiezen dode-tijd en onderdrukkingstijd. De firmware kan worden geprogrammeerd voor het afregelen van de schakelfrequentie, met een mogelijke keuze tussen een vaste frequentie en schijnbaar resonantiegedrag. Belangrijk is dat al deze parameters instelbaar zijn in de applicatiefirmware van de MCP19114. Een eenmaal ontworpen circuit kan opnieuw worden geprogrammeerd om dit aan te passen aan een aantal verschillende led-belastingen, zodat het voedingsontwerp opnieuw kan worden gebruikt voor verschillende eindproducten, zonder component of layout wijzigingen. Bovendien kan de firmware laat in de ontwerpcyclus worden aangepast om onverwachte problemen het hoofd te kunnen bieden zonder dat er wijzigingen in de layout van de kaart of dat er andere componenten nodig zijn, hetgeen de ontwerprisico’s beperkt.
Fionn Sheerin, senior product marketing engineer, Microchip – Analog and Interface product division