התפקיד הקריטי של דוחפי LED‏ ביישומי תאורה

נורות ליבון ונורות ישנות אחרות משתמשות בחשמל כדי לחמם חוט להט או גז, אשר לאחר מכן זוהר ופולט אור. דיודה פולטת אור (LED), לעומת זאת, עשויה מחומר מוליך-למחצה מיוחד אשר ממיר ישירות חשמל המועבר דרכה לאור, תופעה הנקראת אלקטרולומינסנציה.

כל חומר LED פולט אור בתחום תדרים צר כאשר מספקים מתח וזרם ספציפיים. סטיות מערכים אלה עלולות לגרום לנורת ה-LED להפסיק לייצר אור או לשנות את עוצמת הצבע שלה.

המתכננים מסתמכים בדרך כלל על הפחתת זרם קבועה (CCR) או על אפנון רוחב פולס (PWM) כדי לבקר את עוצמת ה-LED. שניהם שואפים להתאים את תפוקת האור, אך פועלים בדרכים שונות באופן מהותי, ולכל אחת מהן סט פשרות תכן משלה:

• CCR, הנקרא לעתים עמעום אנלוגי, פועל על ידי הפחתת הזרם הזורם לנורת ה-LED. זוהי גישה ישירה עם רעש נמוך שאינה מציגה ריצוד, כך שהיא מתאימה עבור יישומים בסיסיים. עם זאת, הפחתת הזרם יכולה לשנות מעט את צבע ה-LED ולהגביל את תחום העמעום, במיוחד ברמות אור נמוכות ביותר.
• PWM מעמעם נורת LED על ידי הדלקה וכיבוי מהירים שלהן תוך שמירה על זרם קבוע במהלך כל פולס. טכניקה זו שומרת על עקביות הצבע ומאפשרת תחום עמעום רחב בהרבה, לעתים עד פחות מ-1%. זה הופך אותה לאידיאלית עבור תאורה או תצוגות מתכווננות. החיסרון הוא ש-PWM יכול לגרום להפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והבהוב נראה אם תדר המיתוג אינו גבוה מספיק. על המתכננים לאזן בקפידה בין גורמים אלו.

PWM עשוי לדרוש דוחפים מורכבים יותר ותשומת לב לסינון EMI, בעוד ש-CCR עשוי להיכשל ביישומים הדורשים דיוק צבע או עמעום אולטרה-נמוך. במקרים מסוימים, גישה היברידית המשלבת CCR ו-PWM מציעה את הטוב משני העולמות.

שיקולי תכנון

המתכננים יכולים להתגבר על המגבלות של עמעום CCR או PWM באמצעות בחירות תכן חכמות. עבור CCR, המתכננים יכולים לבחור נורות LED עם ביצועי צבע יציבים על פני תחום זרמים רחב וליישם תיקון גמא או עקומות עמעום לוגריתמיות כדי להתאים את תגובת העמעום לאופן שבו בני אדם תופסים שינויים בבהירות. התוצאה היא מעברים חלקים וטבעיים יותר. בחירה קפדנית של הדוחף ושל הניהול התרמי יכולה גם לסייע בשמירה על יציבות הצבע ובהארכת ביצועי העמעום ללא צורך במעגלים נוספים.

עבור עמעום PWM, האתגרים העיקריים הם הבהוב, EMI ומורכבות התכן. ניתן להתגבר על נושאים אלו באמצעות תדרי PWM גבוהים - בדרך כלל מעל 20 קילוהרץ עד 25 קילוהרץ - כדי למנוע ריצוד נראה לעין ולמזער הפרעות למערכות אודיו או מצלמות. ניתן לבקר ביעילות את ה-EMI על ידי תכנון קפדני של לוח המעגלים, שימוש במסננים ובחירת דוחפי LED‏ המספקים תכונות כגון קצבי אותות מתכווננים. דוחפים המשלבים יכולות PWM מובנות מפשטים את התהליך על ידי יצירת אותות פנימיים, ובכך מבטלים את הצורך בניהול תזמון מדויק מחוץ לדוחף.

CCR עשוי להיות עדיף עבור יישומים הדורשים EMI מינימלי, כגון בריאות, מעבדות או סביבות עם אלקטרוניקה רגישה. אפשרות זו מספקת עמעום חלק ואמין ללא ריצוד על פני תחום מוגבל, והפשטות היחסית שלה מתאימה גם עבור תאורה כללית בבתים, מסעדות ומקומות גדולים, במיוחד כאשר פשטות ועלות הן בראש סדר העדיפויות.

PWM מועדף לעתים בשל עקביות צבע גבוהה ותחום עמעום רחב, כגון עבור תאורת במה או בסביבות הדורשות בקרת תאורה עדינה ביותר. דוחפי PWM עם מקורות אות משולבים מפשטים עוד יותר את תהליך התכנון על ידי טיפול פנימי בתזמון, ובכך מפחיתים את מורכבות התכן.

כאשר בוחרים בנתיב PWM

יישומים הדורשים בקרה של מספר ערוצים, עקביות הצבע ואמינות ברמת-רכב נהנים מגישת PWM.

דוגמה טובה לכך הוא דוחף LED‏ מתקדם לרכב AL5887Q עם 36 ערוצים של .Diodes Inc‏, המציע את היכולות של שני האופנים. הוא מעמעם באמצעות PWM עמוק על ידי ויסות יחס המחזור של הזרם הקבוע מ-100% ל-3%. עם זאת, מתחת ל-3% הוא עובר לאופן עמעום אנלוגי המייצר את אותה פונקציונליות של CCR באמצעות פקדים דיגיטליים ניתנים-לתכנות, במקום מעגל CCR אנלוגי קלאסי בלבד.

עם מתנד מובנה של 16 מגה-הרץ, ה-AL5887Q מבטל את הצורך בשעון חיצוני, ומאפשר תכנון ופרישה פשוטים יותר של הלוח, חתימות-שטח מעגלים מודפסים קטנות יותר ועלות מפרט חומרים (BOM) נמוכה יותר. הוא משתמש ברגיסטר PWM‏ עם כתובות של bit‏-12‏ ובמחולל PWM פנימי של 30 קילוהרץ לערבוב צבעים טוב יותר ולהפחתת הרעש.

המתכננים יכולים להשתמש בו באופן ממוקד עבור:

• תאורת פנים וחוץ לרכב
• צגי מידע ובידור
• אורות מחוון סטטוס
• פאנלי מגע ותאורה אחורית של צגי LCD‏

יישומים אלה דורשים בקרת צבע ועוצמה של נורות ה-LED, שהן הפונקציות העיקריות שדוחף ה-AL5887Q מסייע להן (איור 1).

איור 1: דוחף LED‏ AL5887Q‏ של .Diodes Inc מפשט יישומי תצוגה ותאורה לרכב. (מקור התמונה: .Diodes Inc‏)

בקרת הצבע של LED‏ RGB‏

בקרת הצבע של LED‏ RGB‏ כרוכה בכוונון זרימת הזרם לכל אחד משלושת שבבי הצבעים השונים הכלולים במארז ה-LED (איור 2). במילים פשוטות, כדי לייצר צבע צהוב בהיר, הקוביות האדומות והירוקות מופעלות עד למקסימום שצוין, ונורת ה-LED הכחולה מעומעמת או כבויה. בדומה, ניתן לייצר מגוון רחב של צבעים על ידי בקרת עוצמת נורות ה-LED הבודדות.

איור 2: כדי לבקר את הצבע של LED‏ RGB‏, היישום צריך להתאים את זרימת הזרם לכל אחד משלושת שבבי הצבעים השונים בתוך מארז ה-LED. (מקור התמונה: Broadcom‏)

הארכיטקטורה של יישום תאורה טיפוסי

יישום תאורה יכול להכיל מאות נורות LED ורכיבים אחרים, כולם מבוקרים על ידי תוכנית הפועלת על מחשב קטן או מיקרו-בקר יחיד.

מערך הפינים של ה-AL5887Q מוצג באיור 3. יישום עשוי להכיל מספר דוחפים; כל אחד מהם יכול להתחבר לעד 12 נורות LED‏ RGB‏ או עד 36 נורות LED בודדות, עם הפינים הייעודיים OUT0 עד OUT35.

איור 3: מערך הפינים של ה-AL5887Q. ניתן לחבר אותו לעד 12 נורות LED‏ RGB‏ או לעד 36 נורות LED בודדות, עם הפינים הייעודיים OUT0 עד OUT35 (מקור התמונה: .Diodes Inc‏)

מדוע ה-AL5887Q הוא דוחף LED‏ טוב עבור יישומי תאורה

ה-AL5887Q יכול לשלב ולהתאים ערוצים, כאשר חלקם משמשים עבור ערבוב צבעים ואחרים עבור מחווני סטטוס או יישומי LED דומים בצבע יחיד. כל ערוץ משמש כמקור זרם קבוע ניתן-לתכנות כדי לספק בהירות וצבע אחידים - שיקול חשוב עבור תאורה קמעונאית, רכב או אדריכלית, שבהם היעדר עקביות מורגש בקלות.

גילוי שגיאות

בנוסף לערבוב ועמעום נורות LED, ה-AL5887Q מגלה תנאי שגיאה שונים, כגון קצרים חשמליים, אותם הוא רושם ברגיסטר "דגלונים" פנימי. ה-AL5887Q מתריע למיקרו-בקר על הבעיות באמצעות פין FAULT שלו. מנגנון גילוי השגיאות של דוחף ה-LED מאפשר ליישום הפועל על המיקרו-בקר להגיב ולספק דיאגנוסטיקה עבור תיקון.

פיתוח יישומים פשוט יותר

ה-AL5887Q מסיר חלק מהתקורה מהמיקרו-בקר המבקר אותו, כגון מיפוי עוצמת צבע, ובכך מפשט את עבודתו של מפתח היישומים. הוא הופך את התוכנית הפועלת על המיקרו-בקר לפשוטה יותר, מקצר את זמן הפיתוח והופך את המערכת לחזקה יותר על ידי ביטול מקורות אפשריים של שגיאות.

מערכי (Banks‏) LED‏

כמה מהאפקטים של אנימציה של ה-LED‏ כגון הבהוב ו"נשימה" (שהיא כמו פולסים איטיים) כרוכים בפעולות סימולטניות על נורות LED‏ רבות. במקום שתוכנית המיקרו-בקר תזהה כל נורת LED בנפרד כדי לשלוח את אותן פקודות שוב ושוב, ניתן להגדיר את ה-AL5887Q לקבץ את נורות ה-LED למערכים (Banks‏). לאחר מכן כל הקבוצה יכולה לבצע פקודה אחת.

תמיכה ב-I²C ו-SPI

יישום LED ברמה גבוהה עם התקנים היקפיים ותצורות רבות דורש לוגיקה גמישה המגלה ומשנה התנהגות בהתאם. ייתכן שהוא יבחר ב-I²C, המשתמש בשני חוטים כדי לגלות ולתקשר עם עשרות התקנים היקפיים.

מצד שני, יישום ברמה נמוכה עם תצורה קבועה ולוגיקה פשוטה ניתן לפשט באמצעות SPI, המשתמש ביותר חוטים אך מתקשר ישירות עם ציוד היקפי מסוים.

ה-AL5887Q יכול להתאים לשני סוגי ארכיטקטורות היישומים. הוא יכול לתמוך בשיטות התקשורת I²C או SPI. פין "בחירת ממשק" (INT_SEL) מאפשר ליישום המיקרו-בקר להורות למעגל הדוחף להשתמש בשיטת תקשורת אחת או אחרת במהלך הפעולה.

אופן חיסכון באנרגיה

כאשר נורות ה-LED כבויות, ה-AL5887Q נכנס אוטומטית לאופן חיסכון באנרגיה, שבו הוא צורך רק 25 מיקרו-אמפר. אם המיקרו-בקר שולח אליו פקודה כלשהי, הוא חוזר לאופן הרגיל. ניתן להשבית מאפיין זה באמצעות פקודת תצורה.

סיכום

מאפיין בקרת PWM‏ bit‏-12‏ של ה-AL5887Q משלב דיוק וגמישות ההופכים אותו לבחירה ורסאטילית ואמינה עבור יישומי תאורת LED מתקדמים. גודלו הקטן והתכונות המשולבות שלו מפחיתים את הצורך ברכיבים נוספים, מורידים את העלות הכוללת ומייעלים את הפיתוח.