設計特集 不良 LED を検出し、100:1 のアナログ調光比を実現 する、デュアル電流レギュレーション・ループを備えた LED コントローラ Xin (Shin) Qi LT3796-1 は、出力で定電流または定電圧を安定化する目的（LED を 駆動するのに必要な要件）で設計されたスイッチング・コントローラで す。このデバイス独自の特長は、独立した 2 つの電流検出アンプとハ イサイド PMOS 切断スイッチ・ドライバです。ドライバは、PWM ピン を使用してスイッチング ･レギュレータと組み合わせて動作させるか、 TGEN ピンを使用して単独で動作させることができます。 不良 LED 検出機能を持つ同一な 2 つの並列 LED 列の駆動 順方向電圧は負荷、温度、製造時の許容誤差に よって大幅にばらつく可能性があるので、1 列の LED の中から劣化または短絡した LED を 1 つ 検出するのは困難な課題です。こうしたばらつき を取り除く1 つの方法は、 2 つの整合した LED 列を並列に使用することです。こうすることによ これらの特長により、LT3796-1 はいくつかの具 精度のアナログ調光が必要なアプリケーション り、2 つの LED 列の順方向電圧に相対的な差 体的な LED アプリケーションの要求を満たすこ では、大小 2 種類の範囲で LED 電流を安定化 があったらフォルトを示すことができます。こうし とができます。たとえば、信頼性の高い照明アプ するよう2 つの電流検出アンプを調整することに た解決策では、最初から順方向電圧降下の合計 リケーションでは、 2 列の LED 列を並列に駆動 より、大電力 LEDドライバのアナログ調光能力 値が一致するように選別した振り分け品を使用 するようコントローラを構成し、いずれか一方の を 100:1 まで広げることができます。これは、1 して列を構成します。 列を基準として使用して、もう一方の列に存在す つの電流制御ループを使用して標準的に得られ る不良 LED1 個を検出できます。あるいは、高 る性能を 10 倍改善した能力です。 VIN 8V TO 20V L1 22µH D1 C1 2.2µF ×3 RSNS 15mΩ R1 499k LED STRING 1 CURRENT REPORTING LED STRING 2 CURRENT REPORTING C2 0.1µF EN/UVLO FB1 ISMON CSP VS LT3796-1 CTRL R5 100k FAULT VMODE M1: VISHAY SILICONIX Si7460DP M2: VISHAY SILICONIX Si7415DN SS D1: DIODES INC PDS3100 D2, D3, D4: NXP PMEG6010CEJ Q1, Q2: ZETEX FMMT589 L1: WÜRTH 744 355 122 1 LED: CREE XLAMP XR-L TGEN Q1 ISN R10 10k TG D4 INTVCC FAULT M2 INTVCC C5 4.7µF VMODE VC SS C3 0.1µF CC 22nF M3 R11 10k Q2 SS D3 9 LEDs STRING 1 9 LEDs STRING 2 D2 RT RC 1k INTVCC R9 20k RLED1 500mΩ VREF R4 100k RLED2 500mΩ ISP FB2 PWM INTVCC R8 10k CSN CSOUT R3 40.2k R6 1M 2 列の LED の昇圧 LEDドライバ R7 22.6k VIN GATE SENSE GND R2 97.6k 図 1．不良 LED の検出機能と保護機能を備えた C6 2.2µF ×4 100V M1 RT 31.6k 250kHz 2014年1月： LT Journal of Analog Innovation | 19 単一出力で並列 2 列を駆動する潜在的な問題の 1 つは、一方の列が開放状態つまり 不導通状態になった場合、もう一方の列に 2 倍の電流が流れる可能性があることです。 LT3796-1 内部のデュアル電流レギュレーション・ループを使用して、こうした電流の アンバランスが生じないようにすることができます。 パレータは、列 1 を短絡から保護するのに対し 500mA ILED2 500mA/DIV ILED2 500mA/DIV ILED2 500mA/DIV 500mA 500mA ILED2 500mA/DIV て、D4、Q1、および R9∼R11 で形成される回 500mA 625mA 路は、列 2 の短絡を検出し、FB1 ピンを H に 500mA 駆動して、PMOS スイッチ M2 および M3 をオ フします。 アナログ調光比が 100:1 の LEDドライバ ISMON 1V/DIV ISMON 1V/DIV 多くの大電力 LED アプリケーションでは高いア 1V 1.25V ナログ調光比が要求されますが、電流検出経路 CSOUT 1V/DIV CSOUT 1V/DIV 20ms/DIV 図 2．図 1 の列 1 での 1 個の LED の短絡 が 1 つだと実現するのが困難です。問題はダイ 1ms/DIV 図 3．図 1 の列 2 での 1 個の LED の短絡 ナミックレンジです。大電流では、検出抵抗での 電力損失を制限するために電圧差を小さく（標 準で 250mV 以下に）抑えることが必要ですが、 処理する信号が非常に小さいので、10% のアナ ログ調光であっても、電流検出アンプの数 mV 単一出力で並列 2 列を駆動する潜在的な問題の 対的な差が電圧で現れます。2 つのアナログ信 1 つは、一方の列が開放状態つまり不導通状態 号を外部で比較することにより、外部コントロー になった場合、もう一方の列に 2 倍の電流が流 ラでフォルト信号を起動することができます。 になります。 列 1 の LED が 1 個 短 絡した 場 合 の オシ ロス LT3796-1 は 2 つの電流検出ループを内蔵して れる可能性があることです。LT3796-1 内部の デュアル電流レギュレーション・ループを使用し て、こうした電流のアンバランスが生じないよう にすることができます。 コープの波形を図 2 に示します。ISP/ISN 電流 検出アンプは過電流を瞬時に検出して、2 つの PMOS スイッチを両方とも切断します。ソフト 昇圧 LEDドライバ内部の ISP/ISN 電流検出ア スタート 1 サイクル後に、ISP/ISN 電流ループ ンプと CSP/CSN 電流検出アンプをどのように は LED 列の電圧を新たな出力電圧に安定化し 構成するかを図 1 に示します。通常動作では、 ます。この電圧は、LED8 個分の順方向電圧降 ISP/ISN 電流ループが LED 電流を制御して設 下に相当します。更新後の出力電圧では 9 個の 定します。LED 列 1 に流れる電流は ISMON ピ LED を駆動できないので、 LED 列 2 は導通電 ンで通知されます。CSOUT の電圧は FB2 ピン 流を遮断し、 CSOUT は 0V を示します。同様 のレギュレーション点より25% 低い値に設定さ に、列 2 の LED が 1 個短絡すると、CSP/CSN れているので、 CSP/CSN 電流ループは、通常 電流ループは制御権を獲得し、図 3 に示すよう CSOUT にモニタ結果を出力します。CSOUT に FB2 ピンを介して出力電流を 625mA に安定 ピンが示すLED列2の電流は次式のとおりです。 VCSOUT = 1V • ILED2 500mA 化します。この状態では LED 列 1 が導通電流を 遮断しているので、ISMON は 0V を示します。 このコンバータは、ハイサイド PMOS 切断スイッ の精度が検出電圧の誤差に大きく影響するよう いるので、2 つのループ間で電流レギュレーショ ンの役割を分担することにより、高いアナログ調 光比を実現できます。一方のループは値の小さ い検出抵抗で大電流経路での電力損失を制限 することを特長としているのに対して、もう一方 のループは、電力損失があまり問題にはならな いため、低電流経路で大きい検出抵抗を使用し て精度を向上させています。LTC1541（高精度 リファレンス、オペアンプ、およびコンパレータ を単一パッケージ内に収容）を使用して、SEPIC モードで 100:1 のアナログ調光比を実現するよ う構成された LT3796-1 を図 4 に示します。 200mA∼1A と値の大きい電流範囲では、 M2 の RDS(ON) を無視できると仮定すると、ISP/ISN 電 流ループは出力電流を次の値に安定化します。 チ・ドライバ・ピン TG を介して、高性能 PWM 2 列 の 電 流 バランスがくず れると、 通 知ピン 調光機能と堅牢な短絡保護機能も実現します。 （ISMON および CSOUT）には LED 電流の相 ISP/ISN 電流検出アンプ内部の内蔵過電流コン 20 | 2014年1月： LT Journal of Analog Innovation ILED = VCTRL _ IN − 0.2V 20 • (RLED1 || RLED2 ) 設計特集 LT3796-1 は 2 つの電流検出ループを内蔵しているので、2 つのループ間で電流レギュレーションの役割を 分担することにより、高いアナログ調光比を実現できます。一方のループは値の小さい検出抵抗で大電流経 路での電力損失を制限することを特長としているのに対して、もう一方のループは、電力損失があまり問題 にはならないため、低電流経路で大きい検出抵抗を使用して精度を向上させています。 図 4．アナログ調光比が 100:1 の C1 2.2µF ×3 M1: INFINEON BSC16ON1ONS3-G M2: VISHAY SILICONIX Si7461DP M3: ZETEX ZXM6IN02F L1: COILTRONICS DR Q 127-220 D1: DIODES INC PDS5100 D2: NXP PMEG6010CEJ LED: CREE XLAMP XR-E L1B R4 113k 2 R1 499k R2 97.6k 8 + 1 LTC1541 OP AMP – C2 0.1µF C3 0.1µF CTRL_IN 5 6 LTC1541 COMP RLED1 270mΩ CSOUT C4 0.1µF 7 ISN VREF INTVCC CTRL FAULT R11 200k M3 + VC TGEN SS 全体的にみて 2 つの電流ループの併用により、 ンパレータによって TGEN ピンは強制的に L 100:1 のアナログ調光比を実現しています。 列の電流を検出して安定化するのは CSP/CSN まとめ ループのみとなります。CSP/CSN ループが制御 LT3796-1 は、通知機能付きの独立した 2 つの 権を獲得すると、FB2 ピンの電圧は 1.25V に安 電流検出アンプ、 2 つの FB ピン、およびハイサ 定化されるので、 R6 を介して CSOUT ピンから イド切断スイッチ・ドライバを特長とする LED コ 電流を引き出すことにより、 CTRL_IN の入力 ントローラです。また、堅牢なフォルト保護機能 電圧で CSP/CSN しきい値を設定します。CSP/ と、高信頼性かつ高性能のアナログ調光など難 CSN の調光範囲は 668mV∼33.4mV なので、 易度の高い LED アプリケーションに対応する豊 200mA∼10mA の範囲の低 LED 電流を検出 富な機能も特長です。n しつつ、精度を維持します。図 5 に示すように、 INTVCC R15 100k R16 100k FAULT 10 LEDs VMODE RT RC 1k CC 22nF VCTRL が 1.2V より低くなると、LTC1541 のコ になり、M2 は切断されます。したがって、LED C8 4.7µF VMODE C6 0.1µF 1.2V INTERNAL REFERENCE M2 TG PWM R10 7.87k – RLED2 3.32Ω ISP R6 10k 4 VREF R14 6.65k CSP FB2 R9 30.1k C5 0.1µF VS LT3796-1 R12 1M R13 23.7k VIN GATE SENSE GND EN/UVLO FB1 ISMON C7 2.2µF ×4 50V CSN R8 100k R7 100k RSNS 15mΩ RT 19.6k 400kHz 図 5．図 4 の解決策での ILED と CTRL 電圧 1200 1000 800 ILED (mA) 3 R17 10k • M1 LED CURRENT REPORTING R5 1k R3 INTVCC 200k D2 • VIN 8V TO 20V VREF C3 INTVCC 2.2µF ×2 50V D1 L1A 22µH SEPIC モード LEDドライバ 600 400 200 0 0 2 4 6 8 VCTRL_IN (V) 2014年1月： LT Journal of Analog Innovation | 21
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