Управление постоянным током через 2 светодиода от 2 батарей

Я работаю над дизайном, где пространство ограничено. Мне нужно управлять 2 светодиодами от 2 батареек AAAA, а использование импульсного регулятора требует слишком много компонентов и не подходит.

РЕДАКТИРОВАТЬ: пространство печатной платы, с которым я имею дело, составляет 0,25 "x 0,25" (6,35 мм x 6,35 мм) с открытой площадкой в ​​​​центре, которая составляет около 0,1 "(2,54 мм).

Я мог бы использовать простую схему, в которой я просто использую токоограничивающие резисторы для каждого светодиода и подключаю его к батареям. Это хорошо для космических требований, но я хочу попытаться сохранить постоянную яркость при постоянном токе. Доступны линейные микросхемы постоянного тока, но мне трудно найти ту, которая соответствует моим требованиям. Вот спецификации, с которыми я работаю:

  • Прямое напряжение светодиода: 2,75 В
  • Желаемый ток светодиода (для каждого светодиода): 50 мА
  • Источник питания: 2 батареи AAAA последовательно (номинальное напряжение 3 В)
  • РЕДАКТИРОВАТЬ: я хочу включить светодиоды не менее 4 часов.

NXP PSSI2021SAY — самая близкая часть, которую я нашел, но я не думаю, что напряжение батареи сможет включить эту штуку, http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PSSI2021SAY.pdf :

PSSI2021SAY в действии

РЕДАКТИРОВАТЬ: я также нашел эту цепь постоянного тока. Я не уверен, что мне понадобится отрицательная подача, http://www.linear.com/solutions/1562

точность постоянного источника тока
(источник: linear.com )

во-первых, если вы можете сделать неточные предположения о температуре устройства, то постоянное напряжение будет означать постоянный ток, поэтому источник постоянного напряжения будет делать то же самое для поддержания постоянной яркости (из-за производственных различий в светодиодах ток может однако не должно быть ровно 50 мА при прямом напряжении).
во-вторых: ваш прецизионный источник тока на операционном усилителе выглядит примерно так же сложно, как и простой импульсный источник питания...
И: источник питания без переключателя никогда не сможет получить 2,75 В из напряжения батареи, как только оно упадет ниже 2,75 В. Я призываю вас задать еще один вопрос с простым переключателем режима постоянного тока, пока я отвечаю на этот .
@MarcusMüller, вы правы в отношении этого точного источника тока. Я просто пытаюсь устранить необходимость в катушке индуктивности, поскольку они обычно являются космическими свиньями. Как вы думаете, может ли LDO работать в этом случае? 100 мВ выпадают или что-то в этом роде? РЕДАКТИРОВАТЬ: Только что увидел ваш другой пост.
Нет, как сказано в моем предыдущем комментарии и моем ответе. Linear обречен для вашего приложения, потому что вам нужна стабилизация именно тогда, когда напряжение начинает проседать, а для LDO уже достаточно жесткое требование, чтобы падение напряжения всего 0,275 В при 50 мА, обычно, так что это уже тяжело для полных батарей, и после первых минут становится еще тяжелее (см. мой ответ!)
Я думаю, было бы здорово, если бы Passerby смог ответить на вопрос, который возникает из-за того, что вы не можете использовать линейный источник питания; как, в качестве альтернативы, спроектировать импульсный светодиодный драйвер, который занимает очень мало места ; и, возможно, вы захотите явно назвать это пространство (потому что катушки индуктивности для 50 мА и ~ 3 В на самом деле не являются космическими свиньями, как правило, в моем понимании свиней )
Катушки индуктивности для этого значения можно найти в типичном корпусе резистора.
Ваши ожидания (спецификации) для 1) простого, 2) маленького и 3) стабильного нереалистичны. Выберите любой 2. Например, чтобы удовлетворить 1 и 2) Используйте первичную литий-марганцевую ячейку приличного размера 500 мАч (не крошечную монетную ячейку) Подключите синий или белый напрямую к обоим светодиодам 3,0 В при 25 ° C. Если вы соответствуете емкости, вы обнаружите, что это работает надолго. Наилучшим случаем здесь является температура, при которой кривая VI светодиода соответствует батарее.
Вы даже можете получить 50 мА без значительного падения напряжения от элемента AAAA?
@Craigfoo необходимо узнать ESR каждого компонента. Аккумуляторы, светодиоды и транзисторный переключатель (Vce(sat) или лучше RdsOn и учитывают все падения напряжения. Это важно для любой конструкции, подобной этой. Шунты измерения тока 50 мВ могут использоваться с компаратором, использующим 1 Ом и повышение напряжения земли.
Это 2,75 В для обоих светодиодов последовательно или для каждого светодиода? Если это для обоих светодиодов последовательно, рассмотрите возможность их параллельного подключения.
Было бы гораздо разумнее использовать один литиевый первичный элемент CR123A 3,0 В и управлять светодиодами с сопротивлением в несколько ом последовательно, а светодиоды - параллельно. (большая емкость, стоимость батареи 1 доллар в Интернете, небольшой размер, простота)

Ответы (5)

Подумайте о повышающем преобразователе типа Joule Thief , работающем от одной батарейки АА.

Я полагаю, что вы выбрали батареи AAAA, потому что у вас ограниченное пространство, но вы считаете, что напряжение батареи должно превышать напряжение светодиода. Это неправда, говорит Похититель Джоулей.

Клиенты ненавидят странные батарейки. Нам нравятся обычные батареи, такие как AA, которые имеют гораздо большую емкость и дешевле, чем AAA или AAAA. AAAA встречается редко, и никто не купит продукт , который их использует.

Клиенты также ненавидят устройства, которые не работают с перезаряжаемыми батареями NiCD или NiMH (выходное напряжение которых составляет 1,2 вольта на элемент).

Более одной батареи также означает загрязнение и коррозию более четырех контактных поверхностей. Вы знаете эти ужасные светодиодные фонарики, которые повсюду? Они берут 3 AAA в «картридже» размером (но не совсем) с 18650. 4 поверхности на батарею, 4 для картриджа, 2 для нижней крышки и 2 для переключателя. Неудивительно, что они никогда не работают! В мусор уходит.

Все говорит о том, что повышающий преобразователь от одной батареи — это то, что нужно.

На самом деле, Zetex/Diodes производит микросхему специально для этой работы , ZXSC380 , так что нет необходимости возиться с работой Joule Thief — одна микросхема, одна катушка индуктивности и светодиод, и все готово.
Мне нравится размер, стоимость и простота ZXSC380, работающего от батареи 1,2 В с дросселем 100 мкГн, но мне не нравится КПД 75%.
В его пользу это может привести аккумулятор к более глубокому состоянию разряда.
@ThreePhaseEel, очень интересная часть. Мне нужно будет посмотреть глубже и взвесить эффективность по сравнению с уровнем разрядки батареи. Спасибо!

Если вы делаете это с помощью линейного стабилизатора, вы должны принять тот факт, что как только напряжение батареи упадет ниже 2,75 В, вы больше не сможете «создавать» прямое напряжение для светодиодов, и, таким образом, , ваш ток неизбежно упадет.

Следовательно, основанный на непереключаемых источниках питания, этот подход обречен; см. типичную кривую разряда щелочной батареи ниже:

кривая разряда: напряжение при разрядке

Обратите внимание, как быстро оно падает ниже 2,75 В/2 = 1,375 В; вам придется добавить еще один запас по падению напряжения линейного регулятора. Лучшие LDO, которые я знаю, имеют около 90 мВ при 50 мА, так что это будет 1,415 В в качестве порогового напряжения.

Итак, давайте пройдемся по процессу проектирования:

Диапазон входного напряжения

Что-то между 2·1,55 В = 3,10 В и тем, что приведенная ниже кривая разряда говорит нам о том, что происходит после подачи 50 мА в течение 4 часов. Это будет 0,2 Ач, и нам нужно масштабировать это от батареи 2,20 Ач до типичной емкости AAAA 0,5 Ач, поэтому нам нужно посмотреть на 0,2 Ач · 4,4 = 0,88 Ач.

кривая расхода

Кривая разряда говорит о 1,2 В. Это звучит реалистично, поэтому наш общий входной диапазон, включая тот факт, что все имеет не 100% эффективность, будет как минимум от 2,3 В до 3,1 В.

Это подчеркивает, что все подходы, основанные на LDO/линейных схемах, обречены, потому что они не могут повышать напряжение.

Выбор дизайна

Как показано, нам нужен импульсный блок питания. Предполагая, что мы не хотим сначала сжигать энергию, чтобы всегда работать ниже целевого напряжения 2,75 В, необходим импульсный источник питания, способный повышать и понижать.

Чтобы достичь ограничения по пространству в 40 мм², мы должны изучить высокоинтегрированные схемы — определенно ИС, которые включают переключатель, а не только контроллер, но, если возможно, даже катушку индуктивности, или использовать переключаемую емкость (потому что наш ток не такой большой ) .

Выбор компонентов

Заходим на сайты "обычных подозреваемых", будучи

  • ТИ
  • NXP
  • Максим
  • Линейный
  • СТ
  • ONSemi

Преобразователи Buck/Boost

Давайте предположим, что TI неплохо справляется со своими модулями простого переключателя, в которые встроена катушка индуктивности. Давайте посмотрим, подходит ли то, что мы можем найти, к нашим ограничениям по пространству — если это не так, мы можем отказаться от этого подхода (вероятно, мы не превзойдем TI, не так ли?).

Кроме того, давайте посмотрим на компанию ON, которая известна тем, что продает большие объемы высокоинтегрированных микросхем SMPS — обычно в корпусах размером с микросхему, и они также являются экспертами в таких вещах, как контроллеры светодиодов вспышки для мобильных телефонов.

Коммутируемая емкость

Давайте проверим портфолио TI для этого.

Полученные результаты

  1. самый маленький модуль простого коммутатора имеет площадь 99 мм²: http://www.ti.com/lsds/ti/power-management/buck-boost-negative-output-module-products.page Ой. Более чем в два раза больше допустимого,
  2. В On есть категория драйверов светодиодов: http://www.onsemi.com/PowerSolutions/taxonomy.do?id=16200&lctn=header . CAT3224, кажется, очень хорошо отвечает нашим требованиям и имеет корпус размером 3 мм x 3 мм = 9 мм², оставляя достаточно места для внешних компонентов, необходимых для конструкции с переключаемой емкостью. Вам понадобится что-то вроде (очень грубое предположение) 25 мФ в качестве суперконденсатора — но я думаю, что это должно сработать. Нужно больше читать даташит. Однако им потребуется много места — я бы действительно поэкспериментировал с MLCC большой емкости и посмотрел, работает ли он, если мне не нужен режим «flash».
  3. В категории переключаемой емкости устройство ONsemi кажется наиболее интересным для этого приложения: NCP1729 — это инвертирующий драйвер, который удовлетворит ваши потребности и предельно прост в использовании: но я не уверен на 100%, просматривая техническое описание . он работает с током 50 мА при входном напряжении всего 2,4 В. Следует рассмотреть дополнительные зарядные насосы.
    Типичное приложение NCP1729
Спасибо за ваше исследование, я прошел аналогичный поиск. NCP1729 довольно интересен, но похоже, что потребность в 50 мА на самом деле не позволяет получить достаточно высокое напряжение, чтобы включить светодиод.

Множество вариантов. Простейшими являются драйверы светодиодов с одним чипом, для которых часто требуется только диод и небольшая катушка индуктивности в форме резистора. Чипы поставляются в smd-корпусах, таких как SOT-23, или в SIP-корпусах для небольшого места на плате.

Или токоограничивающий диод, цельное решение. Но головное напряжение ваших батарей может быть проблемой.

да, я согласен, но это поставки с переключателем, которых ОП хотел избежать. По общему признанию, он хотел избежать их из-за нехватки места (и эти причины ложны), но я попытался спросить об экономичных светодиодных драйверах переключаемого режима в отдельном вопросе :)
@MarcusMüller, пространство печатной платы, с которым я имею дело, составляет 0,25 "x 0,25" с открытой площадкой в ​​​​центре, что составляет около 0,1 дюйма. Мне нужно было бы разместить все компоненты в этой области. Плюс, конечно, я пытаясь сохранить низкую стоимость Если у вас есть предложения, я все уши.
подождите, нужно преобразовать это в метрическую систему (здесь европейская)
Итак, 6,25 мм х 6,25 мм; это не так катастрофично, хотя это, безусловно, сложно.
Добавлена ​​космическая претензия.

Выбор батареи зависит от выбора химического состава и размера

Критерии проектирования для использования светодиодов с батареей основаны на:

  • напряжение, Vmin:Vmax, Vf и If для светодиодов, емкость в (милли) ампер-час [мАч] или [ВАч=Втч], стоимость, размер и/или эффективность.

В фонариках современной конструкции используются крошечные импульсные источники питания для эффективного регулирования тока и снижения потерь на проводимость с использованием элементов типа 18650 для обеспечения длительного срока службы и высокой интенсивности света. Часто новички хотят избежать их ради простоты, но должны знать, что это также снижает производительность.

Однако давайте проанализируем метод управления светодиодами от батареи с малым падением напряжения (LDO), чтобы получить наилучший компромисс.

атрибуты дизайна

  1. свести к минимуму отсев при измерении тока до 50 мВ (типичный стандартный токовый шунт)
  2. выберите полевой МОП-транзистор с «логическим уровнем» с RdsOn, близким или меньшим, чем ESR батареи

  3. используйте компаратор или операционный усилитель, который позволяет воспринимать входное напряжение около 0 В

     - Vout must >= Vgs spec using single supply from Vbat for low RdsOn
  4. Для 1С норм начального напряжения, Vi до конечного, Vf
  5. Емкость C или 1C=Ач (для ч=20 часов) e. внутреннее (эффективное последовательное) сопротивление батареи Е С р "=" | Δ В Δ я |

  6. % Vbat нерегулируемый диапазон Δ В В я "=" В я − В ф В я * 100 %

    • % Vbat, Падение напряжения батареи от 100 до 0% состояния заряда (SoC)
      • 8% на свинцово-кислотной вторичной обмотке
      • 10% на литиевой 3,0 В первичной обмотке
      • 19% на LiPo 3,7 В до вторичного 3,0 В
      • 33% на щелочной 1,5 В первичной обмотке

Ниже сим. на 3 щелочных элемента. В лучшей конструкции используется 1 элемент LiPo.

Мое предлагаемое решение Java требует одобрения, как показано ниже.

введите описание изображения здесь

  • Обратите внимание, что приведенная выше кривая тока показывает отличную стабильность при напряжении от 4,5 до 3,5 В (не 3 В) для 3 батареек AAA.
    • Чувствительность я ф В б а т "=" 49,0 − 48,96 [ м А ] 4,5 − 3,5 [ В ] * 100 "=" 4 %

извините : у Falstad не было низкого RdsOn FET, поэтому я использовал два.

Широкие ссылки в дизайне светодиодных драйверов

Возможно, бессмысленно изобретать велосипед, но полезно понять, как он работает.

Управление постоянным током через 2 светодиода от 2 батарей
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 2v