Návrh automobilového regulátoru LED

Referenční návrh regulátoru SEPIC s obvodem MCP1630 pro řízení LED v automobilových aplikacích využívá integrovaného step-up/down spínaného DC/DC konvertoru a malého mikrokontroléru PIC.

Následující článek přibližuje referenční návrh DC/DC regulátoru SEPIC (step-up/down) s obvodem MCP1630 pro řízení LED v automobilových aplikacích. Obvod je v základní konfiguraci schopen dodat do LED trvalý proud 350 mA, přičemž menší úpravou je možné zajistit libovolný proud až do hodnoty 700 mA.

MCP1630 - High-Speed Pulse Width Modulator
Obvody MCP1630/V společnosti Microchip představují vysokorychlostní Pulsně-šířkové modulátory (PWM), určené pro vývoj inteligentních napájecích systémů.

Obr. 1: Vnitřní blokové schéma obvodu MCP1630

Jedná se pouze o integrované modulátory, které pro svou činnost v typických aplikacích vyžadují použití malého mikrokontroléru, zajišťujícího odpovídající řízení výstupního napětí nebo proudu. Kromě toho se mikrokontrolér postará rovněž o generování spínací frekvence, určení maximální hodnoty střídy a další vlastnosti, odpovídající inteligentnímu regulátoru.

Základní vlastnosti:

• Typická rychlost regulace proudu 12 ns
• Náběžná a sestupná hrana je menší než 5,9 až 6,2 ns
• Výborné řízení regulace špičkového proudu (±5%)
• Nízký vlastní proud: 2,8 mA (typ)
• Podpora UVLO i ochrany před přehřátím
• Dostupné pro rozšířený teplotní rozsah -40 až +125 °C v provedení MSOP-8

Mezi typické aplikace patří inteligentní nabíječky baterií, inteligentní napájecí systémy, DC/DC konvertory, obvody korekce účiníku, napájecí zdroje s více výstupy, multi-fázové napájecí zdroje a řada dalších aplikací.

Automobilový regulátor LED s MCP1630
Následující referenční návrh regulátoru LED s obvodem MCP1630 v konfiguraci SEPIC je určen pro použití v oblasti automobilových systémů, z toho důvodu je také odolný vůči napěťovým špičkám a to až do hodnoty 42V. Jedná se tedy o zajímavé zapojení i z pohledu návrhu typických automobilových aplikací, nutných odolat vysokonapěťovým přechodovým jevům.

Obr. 2: Blokové schéma automobilového regulátoru LED s MCP1630

Obvod vychází z doporučeného zapojení rychlého PWM modulátoru s MCP1630 společnosti Microchip. Ve svém 8-pinovém pouzdře obsahuje všechny analogové prvky, nutné pro pulzní řízení regulačního obvodu, včetně chybového zesilovače, PWM komparátoru a integrovaného výkonového spínače. Pracovní frekvence a maximální hodnota střídy MCP1630 je určena pomocí externího hodinového signálu.

Opět 8-pinový mikrokontrolér typu PIC12F683 také od firmy Microchip generuje pracovní frekvenci 330 kHz pro řízení MCP1630. Kromě toho se firmware mikrokontroléru stará o měření vstupního a výstupního napětí, případně může po stisku tlačítka snížit jas LED apod.

Základní vlastnosti:

• Kompaktní rozměry s vysokým výstupním proudem
• Může pracovat jak ve snižujícím (Buck), tak i zvyšujícím (Boost) režimu
• Odolný vysokému napětí, běžnému v automobilových systémech, až do 42 V po dobu 180 ms
• Vysoká účinnost v celém rozsahu vstupního a výstupního napětí: 85% (typ)
• Maximální výstupní proud 350 mA může být malou změnou hardware upraven podle potřeby
• Maximální výstupní výkon až 18W
• Podpora softwarového stmívání v obou režimech: PWM nebo proudový režim
• Předprogramovaný zdrojový kód
• Spínací frekvence, maximální hodnota střídy a referenční napětí MCP1630 mohou být upraveny pouhou změnou firmware
• Rovněž je možné pomocí změny firmware implementovat další funkce

Obr. 3: Finální schéma zapojení regulátoru LED s MCP1630

Popis funkce obvodu
Obvod MCP1630 obsahuje veškeré analogové funkce, potřebné pro implementaci tzv. Peak Current Mode PWM DC/DC regulátoru. Jeho základ je tvořen obvodem Single-Ended Primary Inductor Converter (SEPIC). Jedná se o oblíbenou, přesto ne příliš rozšířenou topologii napájecího regulátoru, schopného zajistit funkci snižujícího i zvyšujícího konvertoru. Výhodou převodníku je i možnost nastavení konstantního proudu na výstupu, který je nezbytný pro napájení výkonových LED.

Obvod PWM regulátoru MCP1630 vyžaduje pro svůj provoz externí zdroj řídicího signálu, který mu zde zajišťuje přímo 8-bitový mikrokontrolér PIC12F683. Z tohoto signálu se dále odvíjí jak frekvence PWM, tak i maximální pracovní cyklus.

Aktuální výkon (proud do zátěže) je snímán pomocí 0,5 ohmového odporu, tvořeného paralelní kombinací R17 a R18. Získané napětí je přímo pomocí obvodu MCP1630 porovnáno s referenčním napětím a výsledek se používá pro řízení PWM regulátor.

Obr. 4: Diagram funkce firmware v řídicím mikrokontroléru

Referenční napětí obvodu MCP1630 se vede také na pin VREF (pin 8) mikrokontroléru PIC12F683. Součástky R4, R3 a C2 tvoří dolní propust, která pomáhá vyhlazovat PWM signál, produkovaný mikrokontrolérem. Maximální výstupní proud obvodu se nastavuje nejen pomocí napěťového děliče, ale ovlivňuje ho také hodnota R3 a R4. Pracovní cyklus PWM signálu se nastavuje v osmi krocích.

Velikost výstupního proudu se rovná:

kde:

Vzhledem k tomu, že velikost střídy je větší než 50%, je nutné použít v obvodu pasivní kompenzaci, která zabrání vzniku subharmonických oscilací, známých především z režimu řízení proudu LED. Kompenzační obvod se nachází kolem tranzistoru Q1.

Jako hlavní spínací součástka se v obvodu používá 100VDS MOSFET, doplněný o driver typu MCP1416. Ten je nutný proto, že většina vysokonapěťových tranzistorů vyžaduje větší budicí proudy a nejlepších vlastností se dosahuje při napětí na elektrodě gate v hodnotě alespoň 7V.

Obr. 5: Průběh napětí signálu RAMP (TP1)

Obr. 6: Průběh napětí na DRAIN výkonového MOSFET

Závěr:
Více informací k uvedené problematice řízení LED je možné nalézt v technické dokumentaci použitých obvodů, především pak v dokumentaci MCP1630 a dostupných aplikačních poznámek. Viz. odkazy pod článkem.

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Microchip
microchipDIRECT
Přehled distributorů

MCP1630 SEPIC Automotive LED Driver Reference Design
Informace o obvodu MCP1630
MCP1630/MCP1630V Data Sheet
Using the MCP1631 Family to Develop Low-Cost Battery Chargers
Analog Solutions for Automotive Applications Design Guide
A Simple Circuit for Driving Microcontroller Friendly PWM Generators
Informace o obvodu MCP1416
Informace o obvodu PIC12F683

Mizerný Nic moc Průměr Dobrý Vynikající