Simple de baja tensión de alto brillo (HB)-LED Solución para Li + sistemas que utilizan pilas

Resumen: El alto brillo (HB) Los LEDs son una buena solución para aplicaciones de respaldo de baterías de iluminación, sobre todo de iluminación de emergencia. Sin embargo, puede ser un reto para combinar altamente eficientes fuentes de luz LED con alta capacidad, una sola célula de Li + baterías. Esta nota de aplicación presenta una solución práctica con la HB LED MAX16834 piloto para impulsar una serie de LEDs HB de una fuente de baja tensión.

Una versión similar de este artículo apareció en la edición de marzo de 2012 de Electronics revista.

Información general

De alto brillo (HB) LEDs están ahora disponibles para una amplia gama de aplicaciones de iluminación. La salida de luz, a menudo referido como "la eficacia luminosa" y se mide como la producción lúmenes por vatio consumido, ahora supera a la de los sistemas de iluminación, incluso fluorescentes. Tensiones de la fiabilidad y la seguridad intrínseca de operación hacen HB LEDs una buena solución para la batería de copia de seguridad de sistemas de iluminación como las que se encuentran en la iluminación de emergencia.

Con los avances en los dispositivos LED también han llegado las mejoras en la tecnología de baterías. Densidades de energía de la más alta capacidad de iones de litio (Li +) las células superan 750kJ/kg ~. De níquel e hidruro de manganeso ( NiMH ), las células tienen una menor densidad de energía en torno a 200kJ/kg. (En comparación, tenga en cuenta que la gasolina está a punto 44MJ/kg.) Una sola célula de Li + batería tiene una tensión en los bornes de alrededor de 3.7V. En consecuencia, a menos que las células se colocan varios en serie, lo que introduce problemas de diseño, tales como el reparto de poder, un usuario a menudo prefieren trabajar con una solución de una sola célula.

El reto de hoy es casarse altamente eficientes fuentes de luz LED de alta capacidad, de una sola célula de Li + baterías cuando la tensión de alimentación es sólo 3V a 4V. Esta nota de aplicación presenta una solución práctica con la Maxim MAX16834 HB LED piloto para impulsar una serie de LEDs HB a partir de un bajo voltaje de la fuente .

Aumenta sucesivas de la oferta y la LED Tensiones de cuerda son ineficientes

Considerar la topología común de una configuración impulso tales como el estándar MAX16834 HB conductor del LED evaluación (EV) kit, el MAX16834EVKIT ( Figura 1 ).

Figura 1. Configuración de impulso común para un conductor de HB LED.

Para proporcionar suficiente puerta de accionamiento de voltaje a los MOSFETs de conmutación, la MAX16834 requiere una tensión de funcionamiento de al menos 4,5 V para llevar el FET en una buena conducción. Esto no es un requisito común para un controlador operativo HB LED en un modo de impulso utilizando n-canal FET.

Una fuente de alimentación derivados de una sola célula de Li + podría ser tan bajo como 3V, por lo que la unidad a los FET y otros suministros en el circuito sería insuficiente para un correcto funcionamiento. Por lo tanto, si la tensión de alimentación de la batería puede ser impulsado a un valor superior, el dispositivo puede funcionar correctamente.

Aumentar el suministro de la batería una vez por el controlador y luego de nuevo para el control correcto de corriente a la cadena de LED tiene graves consecuencias, negativas para el consumo de energía y, por tanto, la vida de la batería. Esto es debido a la eficiencia global es el producto de las eficiencias de cada etapa. O más precisamente actualizados, el 70% de eficiencia para impulsar seguido por 70% de eficiencia en el control de sólo daría la eficiencia ~ 50% del total.

La solución descrita aquí utiliza un bajo costo, de baja potencia convertidor elevador para proporcionar un suministro constante de 5V para el controlador de HB LED en el kit de EV . Mientras tanto, la energía de la batería en bruto se suministra directamente a la etapa de impulso convertidor FET. De esta manera la energía de la batería es impulsado sólo una vez para encender el LED String.

Aumentar los poderes del convertidor LED String y FET mismo tiempo

El MAX16834 es un versátil controlador de HB LED que ofrece regulación por tanto analógicos como por ancho de pulso modulación ( PWM de control). Opera en alza, buck-boost , SEPIC , y del lado de alta topologías de dinero.Además de conducir una potencia de canal n MOSFET de interruptor controlado por el controlador de conmutación, sino que también impulsa un conmutador de canal n PWM oscurecimiento para lograr LED PWM oscurecimiento.Integra todos los componentes básicos necesarios para implementar una frecuencia fija HB LED conductor con amplia gama de control de regulación.

Algunas modificaciones en la MAX16834EVKIT eran necesarias. El MAX8815A convertidor elevador se utiliza en este diseño. Su kit de VE se ajusta para proporcionar una salida de 5V por defecto, así que no había necesidad de modificación de la norma del circuito ( Figura 2 ).

Figura 2. El MAX8815AEVKIT proporciona una salida de 5V necesaria para la aplicación, por lo que el circuito no ha sido modificado.

Solución de instalación

Todo el circuito se utiliza para conducir corrientes de hasta 1A en una cadena de serie de 6 Seúl Semiconductor LED P7. Mientras que los LEDs son capaces de corrientes mucho más altas que las utilizadas en este ejemplo, la norma MAX16834 EV kit conduce hasta 1A que era suficiente para este análisis. Figura 3 muestra la configuración del controlador de HB LED y el convertidor elevador.

Figura 3. MAX16834 HB LED conductor y el convertidor elevador MAX8815A.

Para eliminar los efectos de cambio de voltaje o impedancia aumento durante la descarga de la batería, una alta corriente y baja tensión de alimentación se utiliza en lugar de la batería. Esto mantiene la tensión de entrada casi constante como la unidad actual a los LEDs se cambió para variar la carga del sistema.

La entrada y salida, las corrientes y voltajes se midieron para proporcionar datos sobre el rendimiento del sistema en un 5V, 4V, y el suministro de 3V que simulaba el rango de voltajes de espera con una sola célula de Li +. La medición de las corrientes de entrada y salida separadas requeriría calibrados voltímetros digitales (DVMS), pero no había un enfoque alternativo. La corriente de entrada se midió usando el kit de VE para un MAX9938 corriente de sentido amplificador con un muy bajo valor óhmico-derivación para minimizar los errores de medición debido a la derivación. La derivación estándar es una 50mΩ, 4-terminal de la resistencia, pero esto fue puenteado con seis resistencias 100MW para dar una derivación 12.5mΩ ( Figura 4 ).

Figura 4. La derivación MAX9938EV estándar es una 50mΩ, 4-terminal de la resistencia (R1). R1 fue anulada con seis resistencias de 100MW para dar una derivación 12.5mΩ.

La transferencia de relación, por lo tanto, para el kit de EV fue de 2,5 V por amperio de 625mV por amperio. Ahora, la tensión de salida se puede medir con el mismo DVM utilizado para todas las mediciones en todo el análisis.

La corriente de salida se determinó midiendo el voltaje a través de la resistencia en serie 0.1Ω en la salida del kit EV utilizando el mismo medidor digital de voltios (DVM). Este enfoque garantiza que todas las lecturas de corriente y voltaje se hicieron mediante la medición de la tensión solo. El uso de la DVM mismo para todas las mediciones esencialmente anulaban cualquier error de calibración en el engranaje de prueba. El sistema se muestra en la Figura 5 .

Figura 5. Diagrama de bloques del sistema.

Los resultados de las mediciones de voltaje tomadas se introdujeron en una hoja de cálculo Excel ® para calcular la entrada / salida corrientes y las mediciones de voltaje de entrada / salida. Las gráficas de la eficiencia del sistema para las tres tensiones de alimentación se elaboraron ( Tabla 1 y Figura 6 ).

Tabla 1. Los resultados de las pruebas de rendimiento
Las mediciones a 5V (NOM)
V EN	4,98	4,97	4,94	4,93	4,91	4,89	4,86	4,83	4,81
V OUT	4,91	16,27	16,7	16,89	16,98	16,98	17,01	17,85	17,99
Corriente en (A)	0,04	0,50	1,03	1,47	1,97	2,44	3,05	3,36	3,79
Salida de corriente (A)	0	0,13	0,28	0,41	0,54	0,67	0,82	0,86	0,95
El poder en (W)	0,17	2,50	5,07	7,24	9,67	11,93	14,82	16,23	18,24
Potencia de salida (W)	0	2,18	4,71	6,91	9,24	11,33	13,91	15,42	17,13
Eficiencia (%)	0	87,04	92,81	95,40	95,52	94,92	93,88	95,03	93,90
Las mediciones realizadas en 4V (NOM)
V EN	4,02	4	3,97	3,96	3,94	3,92	3,89	3,88	3,85
V OUT	3,95	16,1	16,65	16,89	17,14	17,36	17,56	17,74	17,88
Corriente en (A)	0,03	0,50	1,08	1,45	1,91	2,44	3,21	3,38	4,08
Salida de corriente (A)	0,00	0,11	0,24	0,32	0,42	0,52	0,66	0,69	0,80
El poder en (W)	0,13	1,98	4,27	5,75	7,53	9,55	12,50	13,10	15,71
Potencia de salida (W)	0,00	1,74	4,01	5,47	7,22	9,10	11,59	12,15	14,32
Eficiencia (%)	0,00	87,64	94,01	95,12	95,79	95,29	92,73	92,77	91,18
Las mediciones realizadas en 3V (NOM)
V EN	3,01	2,99	2,976	2,957	2,94	2,924	2,885	2,867
V OUT	2,95	16,07	16,45	16,73	16,86	17,11	17,37	17,45
Corriente en (A)	0,03	0,56	1,02	1,52	1,96	2,40	3,46	3,88
Salida de corriente (A)	0,00	0,09	0,17	0,25	0,31	0,38	0,51	0,57
El poder en (W)	0,10	1,66	3,02	4,49	5,77	7,02	9,98	11,11
Potencia de salida (W)	0,00	1,43	2,75	4,22	5,28	6,42	8,84	9,86
Eficiencia (%)	0,00	85,91	90,86	93,80	91,50	91,37	88,55	88,70

Figura 6. Los datos de rendimiento para el HB LED MAX16834 conductor con tres fuentes de alimentación.

 

Las mediciones se realizaron con cargas cada vez mayores de cero (todos los LED apagado) a la capacidad de carga completa de la carpeta de EV (hasta aproximadamente 1A en la cadena de LED). Los datos muestran que a bajas tensiones de la potencia entregada a la salida se reduce. Esto era debido a la corriente de entrada al sistema se limita a aproximadamente 4A por la fuente de alimentación de entrada. Este tipo de límite podría ser típico de una fuente de batería también.

Conclusión

Con algunas modificaciones menores en el circuito, los desafíos de la conducción de una serie de LEDs HB se reunió con el MAX16834. La eficiencia de conversión de energía en general se mantuvo en torno o por encima del 90%, incluso con alimentación por batería tan bajas como 3V. Ahora los ingenieros pueden utilizar la última tecnología, alta capacidad de Li + en las células para proveer de iluminación para aplicaciones que antes requerían múltiples etapas de conversión de energía que, por sí mismo, siempre que la eficiencia del sistema pobres y duración de la batería reducido.