Pufferung eines Konstantstromquellen-IC zur Erhöhung der maximalen Nennspannung

Die eigentliche Frage: Welche dieser Konfigurationen ist für mein Ziel, die maximale Nennspannung der Ausgänge eines Konstantstrom-Treiber-IC zu erhöhen, am effektivsten?

Wie in einer vorherigen Frage festgestellt , kann ein Konstantstromquellen-IC eine maximale Nennspannung spezifizieren, die sich auf die gesamte Spannung über der Last bezieht und nicht auf die Spannung, die nach dem Absinken der Last verbleibt. Wenn beispielsweise in den Spezifikationen für TIs TLC59281 V _O (an den Ausgang angelegte Spannung) von 17 V angegeben ist, bedeutet dies, dass eine Reihe von LEDs, die an einen Ausgang angeschlossen sind, unabhängig von den Spannungsabfällen der LEDs mit nicht mehr als 17 V versorgt werden dürfen.

Eine Anwendungsschaltung, die ich derzeit entwickle, verwendet den 59281 bereits für einige Einzel- und Doppel-LED-Ausgänge bei 20 mA. Ich möchte mehrere 10-LED-Ausgangsstrings mit beispielsweise einer 48-V-Versorgung hinzufügen, aber der IC allein ist für solche nicht ausgelegt.

Ein Kommentar zur Antwort auf die ursprüngliche Frage deutete darauf hin, dass möglicherweise nur ein einfacher Puffer - insbesondere ein NPN-Puffer mit gemeinsamer Basis - erforderlich ist, um die Bewertung zu umgehen. Nach einer kleinen Untersuchung habe ich einige mögliche Variationen der Topologie gefunden und benötige einige Einblicke, welche am nützlichsten sein könnten.

Abgebildet sind einige mögliche Konfigurationen. Alle abgebildeten Transistoren sind für 65 V oder mehr ausgelegt.

• (A) Die Art und Weise, wie der Fahrer voraussichtlich ungepuffert mit weniger als 17 V betrieben wird.
• (B) Die Art und Weise, wie der Fahrer idealerweise ungepuffert bei mehr als 17 V laufen würde. Wie bereits erwähnt, wird dies nicht unterstützt.
• (C) Gepuffert mit NPN Common-Base-Puffer, Basisspannung von 1V. Im Idealfall sieht der Treiberausgang nicht höher als etwa 0,3 V. Der Ausgangsstrom ist etwas geringer als der Treiberstrom (abhängig von h _FE des Transistors), aber dieser Effekt ist hoffentlich vernachlässigbar.
• (D) Wie (C), jedoch mit einer Basisspannung von 5 V. Im Idealfall sieht der Treiberausgang nicht höher als etwa 4,3 V. Scheint in Falstad ungefähr so ​​zu funktionieren wie (C); unsicher über tatsächliche Vor- / Nachteile.
• (E) Meistens Wunschdenken - diese Konfiguration hätte einen Ausgangsstrom, der ungefähr dem Eingangsstrom entspricht. Dies behebt jedoch nicht die Basisspannung unter 17 V, so dass es durchaus möglich ist, dass dies für die Erhöhung der maximalen Nennspannung unwirksam ist.

BEARBEITEN : Wie aus einer Antwort hervorgeht , beschreibt der TI-Anwendungshinweis SLVA280 zwei ähnliche Lösungen für dieses Problem. Das Folgende ist meine Zusammenfassung dieser App-Notiz.

• (F) ähnelt (D), verwendet jedoch einen N-Kanal-MOSFET. Laut App-Hinweis ist der Gate-Widerstand enthalten, um durch schnelles Schalten verursachte Schwingungen zu unterdrücken (und kann bei einem langsameren FET sogar weggelassen werden).
• (G) ist ähnlich wie (D), enthält jedoch einen Basiswiderstand. Der Widerstand wird ausgewählt, um den Basisstrom zu minimieren und gleichzeitig den vollen maximalen LED-Strom am Kollektor zuzulassen.

Der Kompromiss ist im Wesentlichen Präzision gegenüber Kosten. Der MOSFET in (F) kann wesentlich mehr kosten als der BJT in (G). Aber (G) ist weitaus empfindlicher gegenüber dem Wert von R und der Stromverstärkung des Transistors (der selbst eher locker spezifiziert ist), während (F) verzeihender zu sein scheint.

(Nach meiner flüchtigen Prüfung sind die Preisunterschiede bei Nennspannungen über 60 V weniger ausgeprägt, daher ist die MOSFET-Version wahrscheinlich der richtige Weg.)

Für (G) ist R wie folgt definiert:

$\frac{\left(V_{CC}-V_{BE}\right)\beta}{I_{LED\_OC}}<R<\frac{\left(V_{CC}-V_{BE}\right)\beta}{I_{LED\_max}}$

Dabei ist die Stromverstärkung des Transistors, der maximale LED-Strom und eine "Überstromgrenze", die willkürlich als 1,2- bis 1,3-fache .$\beta$$I_{LED\_max}$$I_{LED\_OC}$$I_{LED\_max}$

Das TI-Dokument SLVA280 , "Verwenden von TLC5940 mit höheren LED-Versorgungsspannungen und Serien-LEDs", beschreibt verschiedene Möglichkeiten, ein Konstantstromsenkengerät mit einer Spannung zu verwenden, die über der Nennspannung liegt.

Bei beiden handelt es sich um einen Transistor vom N-Typ in Reihe mit der Senke mit einem Basis- / Gate-Widerstand gegen Vcc. Der Gate-Widerstand verhindert eine Schwingung der MOSFET-Lösung, und der Basiswiderstand ist so dimensioniert, dass der BJT basierend auf seiner Stromverstärkung etwas mehr als den gewünschten Strom durchlässt. Die Funktionsweise beider Lösungen wird im Dokument ausführlich beschrieben.

C und D sind die richtige Idee. Je niedriger die Basisspannung, desto besser. Sie müssen jedoch sicherstellen, dass die Emitterspannung innerhalb des Erfüllungsbereichs der Konstantstromsenke liegt.

Mit 1 V an der Basis liegt der Emitter nur bei 300 mV oder so. Wenn Ihre Konstantstromsenke den Strom immer noch bis zu dieser Spannung regulieren kann, machen Sie das. Andernfalls stellen Sie die feste Basisspannung des Transistors auf die minimale Compliance-Spannung plus den BE-Abfall plus einen kleinen Spielraum ein. Wenn die Basisspannung höher ist, wird der Spannungsbereich, den die Last verwenden könnte, verringert, aber die Stromregelung ist immer noch gut.

Natürlich muss der Transistor für die volle Spannung ausgelegt sein.

Ein weiterer Trick, wenn 1 V an der Basis zu niedrig ist, aber 5 V zu viel Spannung verbrauchen, besteht darin, eine oder mehrere der LEDs auf der Emitterseite des Transistors anzubringen. Nehmen wir zum Beispiel an, dies sind weiße LEDs, die jeweils 3,2 V abfallen. Mit 5 V an der Basis, etwa 700 mV für den BE-Abfall und 3,2 V an der LED verbleiben 1,1 V für die Stromsenke.

Beachten Sie, dass Fall B möglicherweise funktioniert, wenn Sie sicher sein können, dass die LEDs immer genug Spannung abfallen, damit der Chip nicht mehr als 17 V sieht. Dies ist der Fall, wenn sie eingeschaltet sind und Sie genug davon in Reihe geschaltet haben. Das Problem ist, wenn sie ausgeschaltet sind. Ein Entlüftungswiderstand von der unteren LED zur Erde funktioniert möglicherweise, wenn Sie tolerieren, dass die LEDs leicht leuchten. Sie werden 100 µA in einem dunklen Raum bemerken, aber in einigen Anwendungen spielt dies möglicherweise keine Rolle. Zwei Widerstände, die einen Spannungsteiler bilden, könnten den LED-Abschaltstrom auf fast nichts reduzieren, aber die Ausschaltspannung am unteren Ende des Strings auf 17 V oder weniger halten.

Hinzugefügt über neue Konfiguration G:

Der Basiswiderstand macht nichts Sinnvolles. Nein, der Basisstrom wird dadurch nicht minimiert. Der Basisstrom ist das, was er sein muss, um den Emitterstrom zu unterstützen. Dies wird durch die Verstärkung des Transistors bestimmt. Alles, was der Widerstand tut, ist eine Abfallspannung, was es schwieriger macht, die feste Basisspannung so einzustellen, dass der Emitter knapp über der minimalen Nachgiebigkeitsspannung der Stromsenke liegt.

Beachten Sie auch, dass in Konfiguration F (unter Verwendung eines N-Kanal-MOSFET) die Gate-Spannung möglicherweise höher sein muss. Sie sollte hoch genug sein, damit sich der FET bei maximalem Strom vollständig einschalten kann. Dies ist eine Funktion der GS-Spannung. Die feste Gate-Spannung abzüglich der minimalen Stromsenken-Compliance-Spannung muss daher groß genug sein, um den FET vollständig einzuschalten.