Retroiluminación LED confiable y eficiente para pantallas LCD grandes

Los LED se están convirtiendo rápidamente en la fuente de luz preferida para pantallas LCD grandes en computadoras, televisores, sistemas de navegación y varios productos automotrices y de consumo. Los LED ofrecen varios beneficios sobre los tubos fluorescentes: alta eficacia luminosa (lm/W), colores más vivos, punto blanco sintonizable, artefactos de movimiento reducidos, operación de bajo voltaje y EMI bajo. Sin embargo, los ingenieros de sistemas se enfrentan a ciertos problemas asociados con la activación de LED para aplicaciones de retroiluminación de LCD, incluido el suministro efectivo de energía suficiente, la regulación de la corriente del LED, la coincidencia de la corriente en varias cadenas de LED, el logro de altos índices de atenuación del LED y el encendido/apagado rápido de la corriente del LED.

Todos estos problemas se pueden abordar fácilmente en circuitos compactos y confiables que utilizan el controlador LED de alta corriente LT3476 y el balastro de 3 canales LT3003.

El LT3476 es un convertidor de CC/CC en modo de corriente de salida cuádruple que funciona como una fuente de corriente constante con una eficiencia de hasta el 96 %. Es ideal para conducir hasta 1 A de corriente para hasta ocho LED RGB o blancos por canal (como Luxeon III) en serie. Eso da como resultado una potencia de salida total de aproximadamente 100W.

El LT3003 es un balastro de corriente LED de 3 canales, que se puede utilizar para triplicar la cantidad de LED alimentados por un solo canal LT3476. Cuando las cadenas de LED están en paralelo, se requiere un cuidado especial para garantizar un funcionamiento seguro y una coincidencia de corriente precisa. De lo contrario, una cadena casi siempre consumirá mucha más corriente y eventualmente se dañará. El LT3003 se puede usar con el LT3476 u otros controladores de LED para regular la corriente en las cadenas de LED. Esta es una forma de reducir la corriente por LED y aumentar la uniformidad del brillo en una pantalla grande. Por ejemplo, la corriente LED de salida de 1 A del LT3476 se puede compartir de manera segura entre tres cadenas paralelas de LED cuando se agrega el LT3003. Cada cadena lleva hasta 350mA. El LT3003 garantiza una coincidencia de corriente LED del 3 %.

La relación de atenuación se define como la relación entre el brillo más alto y el más bajo alcanzable de un sistema. A menudo se requiere una gran relación de atenuación para el ajuste instantáneo del brillo de la retroiluminación de acuerdo con la información de la imagen y el entorno en el que se utiliza el dispositivo. Una gran relación de atenuación también ayuda a reducir los artefactos de movimiento. Sin agregar componentes ni costos, tanto el LT3476 como el LT3003 pueden lograr una relación de atenuación PWM de al menos 1000:1 con menos de 5 µs de tiempo de subida/bajada. También es posible una atenuación analógica adicional.

Detección de corriente de lado alto para versatilidad y confiabilidad

La detección de corriente LED de lado alto es generalmente más flexible que el lado bajo, ya que admite configuraciones reductoras, elevadoras o reductoras. La detección de lado alto también permite la operación de "un cable". Por ejemplo, en un circuito de impulso con una resistencia de detección lateral alta, si los LED están alejados del controlador de alguna manera, como en la pantalla de una computadora portátil con bisagras, la corriente del LED puede regresar a la tierra de la pantalla local, ahorrando un cable en el vía de retorno. La detección del lado bajo requiere un cable adicional, porque la corriente del LED debe regresar al lado del controlador para una operación de bajo ruido. La configuración de un solo cable reduce el costo y mejora la confiabilidad, especialmente cuando los canales se multiplican en las pantallas de alto rendimiento.

Operación Buck, Boost o Buck-Boost

Debido al esquema de detección de corriente del lado alto, el LT3476 y el LT3003 admiten operaciones reductoras, elevadoras o reductoras. En modo reductor, un circuito LT3476 puede lograr una eficiencia del 96 %, generar menos calor y brindar más confiabilidad. Para aplicaciones automotrices en las que los LED deben alimentarse con una batería de plomo-ácido, el LT3476 se puede configurar para el modo de refuerzo para controlar hasta ocho LED por canal. Además, devolver la corriente del LED en una configuración de refuerzo a la batería permite la operación de refuerzo, donde el voltaje de entrada puede ser mayor o menor que el voltaje de salida. Como resultado, el LT3476 y el LT3003 pueden aceptar una variedad de fuentes de energía.

PWM y atenuación analógica

El circuito de atenuación PWM dedicado dentro del LT3476 y el LT3003 permite una relación de atenuación de 1000:1. Es posible una atenuación analógica adicional a través de los pines VADJ. Esto permite una cantidad significativa de matices y tonos, lo que da como resultado una definición de color más fina y exacta.

Supervisión y coincidencia precisas de la corriente

Cada uno de los cuatro umbrales del monitor de corriente LT3476 se recorta dentro del 2,5 % en la escala completa de 105 mV. El LT3003 impulsa tres cadenas separadas de LED de hasta 350 mA/cadena con una coincidencia de corriente precisa del 3 %. Ambas medidas dan como resultado un brillo e intensidad de LED uniformes.

Amplia gama de frecuencias operativas para adaptarse a cualquier aplicación

La frecuencia del LT3476 se puede ajustar entre 200 kHz y 2 MHz, lo que permite al usuario equilibrar la eficiencia y el tamaño de la solución.

Paquetes pequeños

El LT3476 está disponible en un paquete QFN de 5 mm × 7 mm. El LT3003 viene en un pequeño paquete MS10. Ambos paquetes están mejorados térmicamente con almohadillas de tierra de metal expuestas en la parte inferior del paquete.

LT3476 ofrece 100 W en modo Buck

En los grandes televisores LCD de hoy en día con retroiluminación LED, el requisito de energía para encender los LED puede ser de un par de cientos de vatios. La figura 1 muestra un circuito para un controlador LED de alta potencia. Está configurado como un convertidor de modo reductor, entregando 100 W a los LED desde un suministro de 33 V con una eficiencia del 96 %. Dos de estos circuitos son suficientes para alimentar todos los LED de un televisor LCD de 32 pulgadas. En aras de la simplicidad, aquí solo se analiza el canal 1.

Los cuatro canales LT3476 son independientes y funcionan de la misma manera. Cuando el interruptor de alimentación interno se enciende, el pin SW1 está conectado a tierra. El voltaje que cruza el inductor L1 es PVIN – V_LED1donde la V_LED1 es la caída de voltaje en la cadena de LED a la corriente dada. Como resultado, la corriente del inductor L1 aumenta linealmente y se acumula energía. Cuando el interruptor de alimentación está apagado, el inductor ve V_LED1. La energía en el inductor se descarga y se transfiere a los LED a través del diodo de captura D1. El condensador C5 filtra la ondulación de corriente del inductor. La corriente del LED es el promedio de la corriente del inductor. La figura 2 muestra la eficiencia en función de la corriente del LED.

Para cambiar la corriente máxima del LED, ajuste el valor R1 o los valores del divisor de resistencia en el pin VADJ1. Los pines VADJ se pueden utilizar para la calibración del balance de blancos. A una frecuencia PWM de 100 Hz, el control PWM de este circuito permite una atenuación de 1000:1, como se muestra en la Figura 3. La Figura 4 muestra que la relación de atenuación PWM tiene una buena relación lineal con la corriente LED promedio. Es posible un tiempo de encendido/apagado más rápido si un circuito de desconexión PFET con un cambiador de nivel está en serie con una cadena de LED. Con este circuito de desconexión PFET, el tiempo de desconexión es inferior a 2 µs.

Circuito de refuerzo para iluminación de automóviles

Es sencillo usar el LT3476 para una aplicación de refuerzo dado que el interruptor de alimentación principal está conectado a tierra. La figura 5 muestra un circuito de refuerzo para aplicaciones tales como iluminación interior y exterior de automóviles. Este circuito proporciona 350 mA a ocho LED Luxeon por canal desde una batería de automóvil. La eficiencia es superior al 92% con una entrada de 16V.

Triplica el número de cadenas de LED con el LT3003

Cada canal LT3476 se puede configurar para controlar tres cadenas de LED paralelas agregando el LT3003. En tal configuración, cada cadena de LED utiliza un tercio de la corriente de salida del canal. El LT3003 funciona fácilmente en modo boost o en modo buck con una arquitectura que permite la toma de tierra (V_EE.UU.) para moverse con el voltaje del capacitor de salida. La Figura 6 muestra el canal 1 de LT3476 más un circuito LT3003 en modo reductor. La coincidencia de corriente de cadena a cadena es del 5 %, lo que es importante para mantener un brillo LED uniforme entre las cadenas. La figura 7 muestra un circuito LT3477 y LT3003 en modo de refuerzo. La V_MÁX. del LT3003 debe conectarse al voltaje más alto en un circuito. En el modo buck, es PVIN. En el modo boost, es el cátodo de D1.

Para un funcionamiento adecuado y una EMI mínima, se debe tener cuidado durante el diseño de la placa de circuito impreso. La Figura 8 muestra la ubicación recomendada de los componentes para LT3476 en modo reductor para una placa de 4 capas. El esquema se muestra en la Figura 1. En un circuito reductor, el bucle formado por los condensadores de entrada (C2 y C3), los pines SW y los diodos de captura (D1, D2, D3 y D4) debe ser lo más pequeño posible debido a la presencia de corriente pulsante di/dt alta en este bucle. La segunda capa debe ser un plano de tierra continuo. Los nodos SW deben ser lo más pequeños posible. Desde cada resistencia de detección, las trazas al pin CAP y al pin LED deben ser un par de trazas Kelvin. Esos rastros deben estar en la tercera capa para una mejor protección. La cuarta capa debe ser otro plano de tierra.

Si se usan cables largos para conectar una fuente de alimentación al PVIN del LT3476, se debe usar un capacitor electrolítico de aluminio para reducir el timbre de entrada que podría romper el interruptor interno del LT3476. Ver Nota de aplicación de tecnología lineal 88 para más información.

Para garantizar un funcionamiento fiable, son esenciales buenos diseños térmicos tanto para el LT3476 como para el LT3003. Las almohadillas expuestas en la parte inferior de los paquetes deben soldarse uniformemente al plano de tierra en la PCB para que las almohadillas expuestas actúen como disipadores de calor. El paquete de circuitos integrados soldado de manera desigual degrada drásticamente la capacidad de disipación de calor. Para mantener baja la resistencia térmica, el plano de tierra debe extenderse tanto como sea posible. Para el LT3476, en la capa superior, la conexión a tierra se puede extender desde los pines 19, 20, 21, 30, 31 y 32. Esto también permite la colocación de los componentes de bucle cerrado mencionados anteriormente. Las capas segunda y cuarta deben reservarse para el plano de tierra. Las vías térmicas debajo y cerca del paquete IC ayudan a transferir el calor del IC al plano de tierra y de las capas internas a las capas externas.