降圧／昇圧／昇降圧が可能な多用途対応のLEDドライバ

はじめに

「LTM8042」はμModule^®ファミリのLEDドライバです。電流量が最大1AのLEDに対応でき、3000：1の調光比を実現可能です。3V～30Vの入力電圧、250kHz～2MHzの広い周波数範囲で動作し、スキャナ、車載機器、アビオニクス（航空電子機器）の照明など、様々なアプリケーションに対応できます。

LTM8042を使えば、昇圧、降圧、昇降圧の3つのトポロジを容易に実現することができます。そのため、多様なアプリケーションの要件を満たすことが可能です。入力電圧が低く、LEDストリングの両端の電圧が高いケースでは、昇圧トポロジが必要になるでしょう。一方、入力電圧が高く、LEDストリングの電圧が低い場合には、降圧トポロジを使用することになるはずです。昇降圧トポロジは、入力電圧の範囲が広く、LEDストリングの電圧より低くも高くもなる可能性があるケースで使用されます。本稿では、3種のトポロジに対応するために、LTM8042を使用してどのような回路を構成すればよいのかを示します。

昇圧トポロジの実現方法

LEDドライバの使い方として最も一般的なのは、12Vの入力電圧V_INから、それよりも高いLEDストリング用の電圧V_Fを生成する昇圧アプリケーションでしょう。LTM8042を使用する昇圧ソリューションでは、図1のような回路を構成します。この回路をブロック図として示したものが図2です。ご覧のように、入力電圧はBSTIN/BKLED-端子に印加します。また、LEDストリングのカソードはグラウンドに接続します。トランジスタQがオンのとき、インダクタLによって電流が増加します。Qがオフになると、Lの両端で電圧の極性が反転し、インダクタの電流が出力フィルタ用のコンデンサC2に流れ始めます。LEDによる調光は、PWM（Pulse Width Modulation）回路におけるデューティ・サイクルの調整と、LEDの平均電流の調整（抵抗RCTLによって設定）によって実現できます。コンデンサC1は、入力電圧用のフィルタとして機能します。

降圧トポロジの実現方法

降圧トポロジは、車載用や産業用の24Vの電源レールをはじめ、入力電圧が比較的高い場合に用いられます。図3は、入力電圧V_INがLEDストリングの電圧V_Fより高い場合に使用する回路のブロック図です。入力電圧はBSTOUT/BKIN端子に印加し、LEDのカソードはBSTIN/BKLED-端子に接続します。トランジスタQがオンのとき、電流は入力からLEDストリングとインダクタLを通ってグラウンドに流れます。Qがオフになると、Lの両端の電圧は極性が逆になり、ダイオードDが順方向にバイアスされます。それにより、LEDのカソードが入力電圧のレベルよりも引き下げられ、LEDストリングの電流が所望の値に達します。このトポロジにおいて、C5は出力フィルタとして機能します。

昇降圧トポロジの実現方法

商用電源、バッテリ、太陽電池といった多くのアプリケーションでは、入力電圧は広い範囲で変化します。こうした状況には、図4に示すような昇降圧トポロジによって対応可能です。入力電圧とLEDのカソードは、BSTIN/BKLED-端子に接続します。トランジスタQがオンのとき、電流はインダクタLで増加します。QがオフになるとLの両端の電圧は極性が反転します。電圧が入力レベルより高くなると同時に、ダイオードDは順方向にバイアスされます。PWM回路はLEDとC5に流れる電流を所望の値を維持し、C2は出力フィルタとして機能します。V_INは、LEDストリングの電圧V_Fより高くても低くても構いません。

各トポロジにおける効率の評価結果

上記3種のトポロジについて、同じLEDストリング、出力電流、スイッチング周波数という条件で評価を実施しました。テストには、LTM8042を実装したデモ用ボード「DC1511」を使用しました。バイアスでの消費電力が3つの設定で同じであることを確認するために、V_CCには同じ値（図1に示した12V）を供給しました。なお、ほとんどの場合、V_CCピンはV_INに接続することができます。このようにして効率を測定した結果を図5に示しました。3種のトポロジはすべてLTspice^®向けにモデル化されています。LTM8042に関連するシミュレーション用のファイルは、データシートで確認することができます。

まとめ

LTM8042は、広い入力電圧範囲で動作する多用途対応のLEDドライバです。高い効率で、LEDストリングに最大1Aの電流を供給することができます。昇圧、降圧、昇降圧のトポロジ向けに容易に構成できるため、多様なアプリケーションのニーズを満たすことが可能です。

著者

Victor Khasiev

Victor Khasievは、アナログ・デバイセズのシニア・アプリケーション・エンジニアです。パワー・エレクトロニクスの分野を担当しており、AC/DC変換とDC/DC変換の両方に関する豊富な経験を持ちます。また、車載用途や産業用途をターゲットとするアナログ・デバイセズのIC製品の使い方に関して、複数の記事を執筆しています。それらの記事では、昇圧、降圧、SEPIC、反転、負電圧、フライバック、フォワードに対応するコンバータや、双方向バックアップ電源などを取り上げています。効果的な力率改善の手法と高度なゲート・ドライバに関して2件の特許を保有しています。日々の業務では、製品に関する質問への回答を通じた顧客のサポート、電源回路の設計／検証、プリント回路基板のレイアウト、システムの最終テストの実行とトラブルシューティングなどに取り組んでいます。