芯耀
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作者：Reinhardt Wagner，杰出工程師
摘要
本文介紹了一種簡(jiǎn)單小巧的解決方案，用于驅(qū)動(dòng)LED來在系統(tǒng)通電/斷電的情況下提供視覺反饋。該電路由電阻和小型芯片組成，盡管該芯片原本并非用于此目的，但它取代了傳統(tǒng)解決方案中的眾多元器件。該電路不僅獨(dú)立運(yùn)行且功耗低，同時(shí)具備出色的抗誤接線穩(wěn)定性，非常適合用于工業(yè)及類似系統(tǒng)。
簡(jiǎn)介
工業(yè)控制系統(tǒng)普遍采用24 V DC作為現(xiàn)場(chǎng)電源電壓，通常由設(shè)備（例如控制器主機(jī)以及I/O和通信模塊）上的LED信號(hào)指示電源電壓的有無。對(duì)于可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)控制器、電源單元、傳感器和執(zhí)行器等工業(yè)系統(tǒng)/子系統(tǒng)而言，LED電源指示燈有助于縮短安裝、維護(hù)和停機(jī)時(shí)間。當(dāng)滿足規(guī)定的條件時(shí)，例如電壓處于所需的工作電源電壓范圍內(nèi)，電源LED應(yīng)該亮起。盡管概念上很簡(jiǎn)單，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)卻頗具挑戰(zhàn)。電源LED需要帶有滯回的電壓比較器，能夠自供電，并且可以持續(xù)驅(qū)動(dòng)LED。
此類電路的其他要求包括：
- 低功耗
- 當(dāng)電源電壓低于最低工作電壓時(shí)，LED燈必須關(guān)閉
- 光強(qiáng)度應(yīng)與電源電壓無關(guān)
- 電路應(yīng)能承受過電壓
- 抗誤接線穩(wěn)定性出色，例如可以應(yīng)對(duì)極性接反情況下遇到的負(fù)電壓
電路雖然簡(jiǎn)單，但其性能往往會(huì)受到元器件特性、溫度變化以及電壓波動(dòng)的顯著影響。
背景知識(shí)
該LED驅(qū)動(dòng)電路基于對(duì)一款工業(yè)數(shù)字輸入芯片的重新利用，實(shí)現(xiàn)了與其最初預(yù)期應(yīng)用不同的功能。工業(yè)輸入常見于工業(yè)控制系統(tǒng)中，基于24 V邏輯，具有明確規(guī)定的輸入電流/電壓特性和定義的輸入閾值電壓。對(duì)于常見的3型工業(yè)輸入，在最大輸入高閾值電壓11 V時(shí)，灌電流輸入（有時(shí)也稱為p型輸入）的下拉電流要求大于2.0 mA。為了盡量降低功耗，如今的數(shù)字輸入電路會(huì)限制輸入電流，將其嚴(yán)格調(diào)節(jié)到略高于2.0 mA限值的水平。
構(gòu)想
注意到2.0 mA與常見的LED驅(qū)動(dòng)電流一致，并且工業(yè)數(shù)字輸入具有明確定義的開關(guān)閾值，我們不禁要問：像MAX22191這樣的單通道數(shù)字輸入芯片是否適合電源監(jiān)控和LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用？這款工業(yè)輸入器件設(shè)計(jì)用于通過其OUT引腳驅(qū)動(dòng)光電隔離器。圖1為建議的應(yīng)用電路。REXT是一個(gè)電流設(shè)置電阻，能夠在2.0 mA至2.6 mA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)OUT電流。
圖1.電源監(jiān)控LED驅(qū)動(dòng)器
內(nèi)部電流源的容差為±12.5％（涵蓋溫度、輸入電壓和器件間的差異），從而確保了低功耗特性，并且光強(qiáng)度隨電源電壓的變化幾乎可以忽略不計(jì)。電流源額定OUT輸出順從電壓為5.5 V，因此能驅(qū)動(dòng)大多數(shù)現(xiàn)代LED。該器件的電源電流為110 μA（典型值），進(jìn)一步保證了整體解決方案的低功耗表現(xiàn)。
如圖2所示，LED電流在9 V（典型值）時(shí)迅速導(dǎo)通，在8 V（典型值）時(shí)關(guān)斷，兩者之間存在1 V的滯回電壓。具體的最大導(dǎo)通和最小關(guān)斷閾值電壓，請(qǐng)參閱MAX22191數(shù)據(jù)手冊(cè)。如果需要更高的閾值電壓，可以將一個(gè)電阻RIN與IN輸入串聯(lián)，如圖3所示。RIN值的計(jì)算公式為：RIN = (閾值電壓增量)/IIN。
如圖2所示，在導(dǎo)通狀態(tài)下，LED電流不隨輸入電壓的變化而變化。這與使用簡(jiǎn)單的雙極/MOS晶體管驅(qū)動(dòng)LED形成對(duì)比，由于晶體管的厄利電壓，其電流-電壓依賴性明顯更大。
圖2.LED電流與電源電壓的關(guān)系
LED控制
針對(duì)需要在邏輯控制下打開/關(guān)閉LED的應(yīng)用場(chǎng)景，可以方便地使用TEST輸入，如圖3所示。此電路支持實(shí)現(xiàn)一些輔助功能，例如上電延遲、閃爍或其他狀態(tài)反饋。
圖3.具有開/關(guān)控制和更高閾值電壓的電路
穩(wěn)健性
該解決方案的額定工作溫度范圍為-40℃至+125℃。IN電源電壓能夠耐受-70 V至+60 V的寬電壓范圍，這為浪涌保護(hù)和應(yīng)對(duì)誤接線提供了充足的余地。在反向連接的情況下，如果輸入電壓為負(fù)，電路的輸入電流將降低至1 μA。
結(jié)論
MAX22191簡(jiǎn)化了LED電源指示應(yīng)用的設(shè)計(jì)，其SOT23封裝和低功耗電流設(shè)置進(jìn)一步縮小了電阻解決方案的尺寸。
