Общее описание

PT4115 представляет собой индуктивный понижающий преобразователь с непрерывным режимом работы, предназначенный для управления одним или несколькими последовательно подключенными светодиодами, питающимися от источника напряжения выше, чем общее напряжение цепи светодиодов. Микросхема может работать от источника питания с напряжением от 6 до 30 В и обеспечивает внешний регулируемый выходной ток до 1,2 А. В зависимости от напряжения питания и внешних компонентов, PT4115 может обеспечивать выходную мощность более 30 Вт. PT4115 включает в себя выключатель питания и схему контроля выходного тока, которая использует внешний резистор для установки номинального среднего выходного тока, а на отдельный вход DIM можно подавать либо постоянное напряжение, либо широкий диапазон ШИМ. Если подать напряжение 0,3 В или меньше на вывод DIM, отключает выход и микросхема переходит в ждущий режим. PT4115 выпускается в корпусах SOT89-5 и ESOP8.

Свойства

• Малое количество подключаемых внешних компонентов
• Широкий диапазон напряжения питания: от 6 до 30 В
• Выходной ток до 1.2 А
• Один вывод для включения/выключения и регулировки яркости, использующий постоянное напряжение или ШИМ
• Частота коммутации до 1 МГц
• Номинальная точность поддержания выходного тока 5%
• Встроенная схема отключения для защиты светодиодов
• Высокий К.П.Д. (до 97%)
• Отслеживание тока на стороне высокого напряжения
• Гистерезисное управление: без компенсации
• Регулируемый постоянный ток светодиода
• Корпус ESOP8 для схем с большой выходной мощностью
• Соответствует RoHS

Применение

• Замена низковольтных галогенных ламп светодиодами
• Освещение в автомобилях
• Низковольтное промышленное освещение
• Светодиодное резервное освещение
• Световые вывески
• Освещение с использованием безопасного сверхнизкого напряжения
• Подсветка в ЖК-телевизорах

Корпус	Температурный диапазон	Номер серии	Маркировка
SOT89-5	от -40 °C до 85 °C	PT4115B89E:Atype PT4115BS9E-B:B type	PT4115 xxxxxX
ESOP8	от -40 °C до 85 °C	PT4115BSOH: A type PT4115BSOH-B:B type	PT4115 xxxxxX

 

 

 

Назначение выводов

Номер вывода	Обозначение	Описание
1	SW	Выходной ключ. SW — это сток внутреннего N-канального MOSFET-ключа.
2	GND	Земля общая для цепей сигнала и питания.
3	DIM	Логический вход для управления яркостью. Когда на вывод DIM поступает сигнал низкого уровня, регулятор тока отключается. Когда на вывод DIM поступает сигнал высокого уровня, регулятор тока подключается.
4	CSN	Контроль тока на входе.
5	VIN	Питание.
—	Exposed PAD	Внутренне подключен к GND. Соединен  с корпусом для снижения теплового сопротивления.
ESOP8 4,5	NC	Не подключены

 

Абсолютные максимальные значения

Обозначение	Описание	Значение	Ед. изм.
VIN	Напряжение питания	-0.3~45	В
SW	Напряжение на выводе стока внутреннего мощного ключа	-0.3~45	В
CSN	Напряжение на выводе контроля тока на входе (По отношению к VIN)	+0.3~(-6.0)	В
DIM	Напряжение на выводе логического вход для управления яркостью	-0.3~6	В
Isw	Выходной ток ключа	1,5	A
PDmax	Рассеиваемая мощность (1)	1,5	Вт
Ptr	Тепловое сопротивление, SOT89-5 0JA	45	°C /Вт
Ptr	Тепловое сопротивление, ESOP8 0JA	40	°C /Вт
Tj	Диапазон рабочих температур кристалла	от -40 до 150	°C
Tstg	Температура хранения	от -55 до 150	°C
	Восприимчивость к электростатическим разрядам (2)	2	кВ
VIN	VDD напряжение источника питания	6 ~ 30	В
TOPT	Рабочая температура	от -40 до +85	°C

1. Максимальная рассеиваемая мощности должна снижаться при повышенных температурах и задается T_JMAX, θ_JA и температурой окружающей среды T_A. Максимально допустимая рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле P_DMAX = (T_JMAX — T_A) / θ_JA или является числом, указанным в абсолютных максимальных значениях, в зависимости от того, что меньше.
2. Модель человеческого тела, 100 пФ, разряжаемая через резистор 1,5 кОм.

 Электрические характеристики (*, **)

Обозначение	Описание	Условия		Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
Vin	Входное напряжение			6		30	В
VUVLO	Напряжение блокировки	Vin пониженно			5,1		В
VUVLO, HYS	UVLO гистерезис	Vin повышенно			500		мВ
Fsw	Максимальная частота переключения					1	мГц
Чувствительность по току
VCSN	Средний текущий порог чувствительности по напряжению	VIN-VCSN	A тип	95	98	101	мВ
			В тип	99	102	105	мВ
VСSN_hys	Порог чувствительности по гистерезису				±15		%
ICSN	Входной ток на выводе CSN	VIN —  VCSN = 5 мВ			8		мкА
Рабочий ток
loFF	Потребляемый ток в режиме покоя при отключенном выходе	VDIM < 0.3 В			95		мкА
Управление яркостью
VDIM	Внутреннее напряжение питания	Плавающий DIM			5		В
VDIM_H	Напряжение высокого уровня на выводе DIM			2,5			В
VDIM_L	Напряжение низкого уровня на выводе DIM					0,3	В
VDIM_DC	Регулировка яркости постоянным током			0,5		2,5	В
fDIM	Максимальная частота	fosc= 500 кГц				50	кГц
DPWM_LF	Диапазон коэффициента заполнения для низкочастотного диммирования	fDIM =100 Гц		0,02%		1
	Диапазон регулировки яркости				5000:1

 

Обозначение	Описание	Условия	Мин.	Тип.	Макс.	Ед. изм.
Вход управления яркостью (DIM)
DPWM_HF	Коэффициент заполнения высокочастотного диммирования	fDIM = 20 кГц	4%		1
	Диапазон регулировки яркости			25:1
RDIM	Подтягивающее сопротивление внутри микросхемы, подключенное к источнику питания			200		кОм
IDIM_L	Ток утечки	VDIM = 0		25		мкА
Выходной ключ
Rsw	Сопротивление в открытом состоянии	VIN= 12 В		0,6		Ом
		VIN= 24 В		0,4
ISWmean	Допустимый ток				1,2	А
ILEAK	Ток утечки			0,5	5	мкА
Тепловая защита
TSD	Тепловой порог отключения			160		°C
Tso-hys	Гистерезис теплового отключения			20		°C

*Типовые параметры измеряются при 25 ° С и представляют собой параметрическую норму.

**Минимальные / максимальные пределы гарантируются проектированием, тестом или статистическим анализом.

 

 

Описание

Устройство в сочетании с катушкой (L1) и токочувствительным резистором (RS) формирует автоколебательный вольтодобавочный преобразователь с непрерывным режимом работы.

Когда входное напряжение на ввод VIN подается первый раз, начальный ток в L1 и RS равен нулю, а также отсутствует выходной сигнал от токоизмерительной схемы. При этом условии, на выходе компаратора CS присутствует высокий уровень сигнала. Этим осуществляется включение внутреннего переключателя. Вывод SW переключается и находится в состоянии низкого логического уровня, в результате чего ток протекает от VIN к земле через резистор RS, катушку L1 и светодиод(-ы). Ток возрастает со скоростью, определяемой VIN и L1, для создания линейно-изменяющегося  напряжения (V_CSN) через сопротивление RS. Когда (V_IN-V_CSN) > 115 мВ, выход компаратора CS переключается в состояние низкого уровня и переключатель выключается. Ток, проходящий по RS, уменьшается с другой скоростью. Когда (V_IN-V_CSN) < 85 мВ, переключатель включается снова, а средний ток на светодиоде определяется по формуле:

Схема измерения тока с высокой стороны и встроенная схема регулирования тока минимизируют количество внешних компонентов, поддерживая при этом ток через светодиоды с точностью ± 5%, используя 1% -ный резистор.

PT4115 осуществляет диммирование с помощью ШИМ-сигнала на входе DIM. Если на входе DIM напряжение логического уровня ниже 0,3 В PT4115 отключает светодиод. Для того чтобы через светодиод проходил полный ток, на вход DIM необходимо подать напряжение высокого логического уровня не менее 2.5 В. Частота изменения яркости ШИМ колеблется в диапазоне от 100 Гц до более чем 20 кГц.

Выводом DIM можно управлять от внешнего источника постоянного напряжения (V_DIM), для регулировки выходного тока до значения ниже номинального среднего значения, определенного резистором RS. Напряжение постоянного тока может быть в пределах от 0,5 В до 2,5 В. Когда напряжение на выводе DIM выше 2,5 В, выходной ток не изменяется. Ток светодиода также можно регулировать с помощью резистора, подключенного к выводу DIM. Внутренний подтягивающий резистор (номиналом 200 кОм) подключен к встроенному стабилизатору напряжения 5 В. Напряжение на выводе DIM делится внутренним и внешним резисторами.

Вывод DIM подтягивается к встроенному стабилизатору напряжения (5 В) резистором номиналом 200 кОм. Он может изменяться при нормальной работе. Когда напряжение, подаваемое на DIM падает ниже порога (0,3 В ном.), выходной переключатель выключается. Внутренний стабилизатор и источник опорного напряжения остаются включенными во время выключения, чтобы иметь опорное напряжение для схемы выключения. Номинальный потребляемый ток в выключенном состоянии 95 мкА и ток утечки ниже 5 мкА.

Кроме того, для обеспечения надежности PT4115 обладает встроенной функцией защитного отключения при перегреве (TSD) и теплоотводящей площадкой. TSD отключает ИС при перегреве (160 ℃).  Также теплоотводящая площадка усиливает рассеивание мощности. В результате PT4115 обеспечивает безопасное прохождение больших токов.

 

Номинальные эксплуатационные характеристики

Применение

Установка номинального среднего выходного тока с помощью внешнего резистора RS

Номинальный средний выходной ток в светодиоде(-ах) определяется номиналом внешнего токочувствительного резистора (RS), подключенного между VIN и CSN, и рассчитывается следующим образом:

Это уравнение справедливо, когда вывод DIM плавает (изменяется) или на нем присутствует напряжение выше 2,5 В (должно быть меньше 5 В). На самом деле, RS устанавливает максимальный средний ток, который может быть скорректирован до меньшего при диммировании.

Регулировка выходного тока с помощью внешнего управляющего напряжения постоянного тока

Вывод DIM может управляться внешним напряжением постоянного тока (VDIM), как показано на рисунке ниже, для регулировки выходного тока на значение ниже номинального среднего значения, определенного токочувствительным резистором RS.

Средний выходной ток определяется следующим образом:

Обратите внимание, что 100% настройка яркости соответствует диапазону:

Регулировка выходного тока с помощью ШИМ-управления

Для регулировки выходного тока до значения ниже номинального среднего значения, установленного резистором RS, применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с коэффициентом заполнения на выводе DIM, как показано ниже.

Диммирование с использованием ШИМ обеспечивает уменьшенную яркость за счет модуляции прямого тока светодиода от 0% до 100%. Яркость светодиода контролируется путем регулирования относительных соотношений времени включения и выключения. 25% уровень яркости  достигается за счет включения светодиода при прохождении полного тока в течение 25% времени от периода одного цикла. Для того чтобы обеспечить процесс переключения между включенным и выключенным состоянием невидимый человеческими глазами, частота переключения должна составлять больше 100 Гц. Выше 100 Гц, человеческие глаза усредняют время включения и выключения, видя только эффективную яркость, которая пропорциональна коэффициенту заполнения во время работы светодиодов. Преимущество использования ШИМ диммирования заключается в том, что прямой ток всегда постоянный, поэтому цвет светодиода не меняется при изменении яркости, как это происходит при аналоговом диммировании. Импульсный ток обеспечивает точное регулирование яркости при сохранении чистоты цвета. Частота диммирования PT4115 может достигать 20 кГц.

Режим выключения электропитания

При появлении напряжения ниже 0,3 В на выводе DIM происходит отключение выхода, а ток питания снизится до низкого уровня потребления в режиме ожидания — 95 мкА.

Плавное включение

Внешний конденсатор, подключенный между выводом DIM и землей обеспечит дополнительную задержку плавного включения, увеличив время, необходимое для того, чтобы напряжение на этом выводе поднялось до порога включения и замедление скорости нарастания управляющего напряжения на входе компаратора. Добавление емкости конденсатора увеличивает эту задержку примерно на 0,8 мс/нФ.

Встроенная защита светодиода при обрыве цепи

Если в цепи со светодиодом(-ами) произойдет обрыв, катушка изолируется от вывода SW микросхемы, поэтому микросхема и светодиод не будут повреждены.

Выбор конденсатора

Для развязки входных сигналов необходимо использовать конденсатор с низким ЭПС (ESR), так как ЭПС (ESR) этого конденсатора появляется последовательно с импедансом источника питания и снижает общий КПД. Этот конденсатор должен выдавать относительно высокий пиковый ток в катушку и сглаживать текущую пульсацию на входе. Допустимое минимальное значение конденсатора составляет 4.7 мкФ, если источник входного питания постоянного тока находится близко к устройству, но более высокие значения емкости дают большую производительность при более низких входных напряжениях, особенно когда импеданс источника является высоким. Для выпрямленного входного переменного тока рекомендуется использовать танталовый конденсатор, номинал которого должен быть выше 100 мкФ. Входной конденсатор должен быть расположен как можно ближе к ИС.

Для максимальной стабильности по температуре и напряжению рекомендуется использовать конденсаторы X7R, X5R или лучшим диэлектриком. Конденсаторы с диэлектриком Y5V не подходят для развязки в этом применении и НЕ должны использоваться.

Подходящим конденсатором от производителя Murata является GRM42-2X7R475K-50.

Следующие веб-сайты полезны при поиске альтернатив:

www.murata.com

www.t-yuden.com

www.avxcorp.com

Выбор индуктивности

Рекомендуемые значения индуктивности для PT4115 находятся в диапазоне от 27 мкГн до 100 мкГн. Рекомендуется использовать катушки индуктивности с более высокими номиналами при более низком выходном токе, чтобы минимизировать ошибки из-за задержек переключения, приводящих к увеличению пульсаций и снижению эффективности. Использование катушек индуктивности с более высокими номиналами приводит к меньшему изменению выходного тока в диапазоне напряжений питания. (см. графики).  Индуктивность должна располагаться как можно ближе к микросхеме и иметь низкоомные соединения с выводами SW и VIN. Выбранная катушка индуктивности должна иметь ток насыщения выше пикового выходного тока и номинальное значение постоянного тока выше требуемого среднего выходного тока.

В следующей таблице приведено руководство по подбору индуктивности:

Ток нагузки	Индуктивность	Ток насыщения
Iout > 1A	27-47 мкГн	1.3-1.5 раза от тока нагрузки
0.8A < Iout ≤ 1A	33-82 мкГн
0.4A < Iout ≤ 0.8A	47-100 мкГн
Iout ≤ 0.4A	68-220 мкГн

Подходящие катушки индуктивности для использования с PT4115 приведены в таблице ниже:

Номер партии	L (мкГн)	DCR (Ом)	ISAT (A)	Производитель
MSS1038-333	27	0.089	2.48	CoilCraft www.coilcraft.com
MSS1038-333	33	0.093	2.3
MSS1038-473	47	0.128	2
MSS1038-683	68	0.213	1.6
MSS1038-104	100	0.304	1.3

Номиналы индуктивности должны быть выбраны для поддержания коэффициента заполнения и времени «вкл»/«выкл» в указанных пределах по напряжению питания и диапазону тока нагрузки.

В качестве руководства можно использовать следующие уравнения.

Время «Включения» для вывода SW:

Время «Выключения» для вывода SW:

Где:

L — индуктивность катушки (Гн)

rL — сопротивление катушки (Ом)

R_S — токочувствительное сопротивление (Ом)

Iavg — это необходимый ток для питания светодиода (A)

Δ I – максимальный ток пульсаций в катушки (A) {Внутренне установлен на 0,3 x Iavg}

V_IN — напряжение питания (В)

V_LED — общее прямое напряжение светодиода (В)

R_SW — сопротивление переключателя (Ом) {0,6 Ом номинальное}

V_D — прямое напряжение диода при требуемом токе нагрузки (В)

Выбор диода

Для максимальной эффективности и производительности, выпрямитель (D1) должен быть быстродействующим диодом Шоттки с низким ёмкостным сопротивлением и малым обратным током утечки при максимальном рабочем напряжении и температуре.

Эти диоды обеспечивают лучшую эффективность, чем кремниевые, из-за комбинации более низкого прямого напряжения и меньшего времени восстановления.

Важно выбирать детали с пиковым  номинальным значением тока выше пикового тока катушки и постоянным номинальным значением тока выше, чем максимальный выходной ток нагрузки. Очень важно учитывать ток обратной утечки диода в работе при температуре выше 85 °C. Избыточная утечка увеличит рассеиваемую мощности в устройстве, а также при близком расположении к нагрузке может привести к быстрому перегреву.

Более высокое прямое напряжение и перерегулирование из-за обратного времени восстановления в кремниевых диодах увеличат пиковое напряжение на выводе SW. Если используется кремниевый диод, необходимо следить за появлением полного напряжения на контакте SW, включая пульсации питания, не превышающем указанное максимальное значение. Следующие веб-сайты полезны при поиске альтернатив: www.onsemi.com.

Снижение выходных пульсаций

Максимальный пиковый ток пульсаций в светодиоде(-ах) может быть уменьшен, если это необходимо, при помощи шунтирующего конденсатора C_LED установленного параллельно светодиоду(-ам), как показано на рисунке ниже:

 

Значение 1uF уменьшит ток пульсации питания в три раза (приблизительно). Пропорционально более низкая пульсация может быть достигнута с более высокими значениями конденсатора. Обратите внимание, что конденсатор не будет влиять на рабочую частоту или эффективность, но это увеличит задержку запуска и уменьшит частоту диммирования за счет снижения скорости повышения напряжения светодиода. Добавляя этот конденсатор, токовый сигнал через светодиод(-ы) изменяется от треугольной формы до более синусоидальной без изменения среднего значения тока.

Внутренний регулятор отключает драйвер от переключателя до тех пор, пока напряжение питания не превысит порог запуска (VUVLO). Выше этого порога устройство начнет работать. Однако при напряжении питания ниже заданного минимального значения коэффициент заполнения при переключении будет высоким, а рассеиваемая мощность устройства будет максимальной. Следует соблюдать осторожность, чтобы избежать использования устройства в таких условиях, чтобы свести к минимуму риск превышения максимально допустимой температуры. (См. Следующий раздел, посвященный тепловым характеристикам). Управление выключателем отключается, когда напряжение питания падает ниже порога пониженного напряжения (VUVLO-0.5V).

Тепловые характеристики

При работе устройства при высоких температурах окружающей среды или при максимальном токе нагрузки следует соблюдать осторожность, чтобы избежать превышения пределов рассеивания мощности. На приведенном ниже графике приведены сведения о снижении рассеиваемой мощности. Это предполагает, что устройство должно быть установлено на печатной плате 25 мм² c толщиной медного слоя 1 oz, находящейся в невентилируемом помещении.

Обратите внимание, что рассеивание мощности устройства чаще всего будет максимальным при минимальном напряжении питания. Она также будет увеличиваться, если КПД схемы-низкий. Это может быть вызвано использованием непригодных катушек или чрезмерной паразитной емкостью на выходе переключателя. Когда есть ограничения по внутренней рассеиваемой мощности устройства, рекомендуется использовать корпус ESOP8 из-за его повышенной способности рассеивать мощность.

Температурная компенсация выходного тока.

Светодиоды высокой яркости часто должны идут с температурной компенсацией по току, чтобы поддерживать стабильную и надежную работу на всех уровнях управления. Светодиоды обычно монтируются удаленно от устройства, поэтому по этой причине температурные коэффициенты внутренних цепей для PT4115 оптимизированы для минимизации изменения выходного тока при отсутствии компенсации.  Если требуется компенсация выходного тока, можно использовать внешнюю цепь измерения температуры — обычно с использованием термисторов и / или диодов с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), установленных очень близко к светодиоду (светодиодам). Выход измерительной цепочки можно использовать для управления выводом DIM, чтобы уменьшить выходной ток с повышением температуры.

Защитное отключение при перегреве

Для обеспечения надежности PT4115 оснащена функцией защитного отключения при перегреве (TSD). TSD отключает ИС при перегреве (160 ℃). Когда температура микросхемы уменьшается (140 ℃), работа ИС снова восстанавливается.

Рекомендации по компоновке

Тщательная компоновка печатной платы имеет решающее значение для достижения низких потерь при переключении и стабильной работы. По возможности используйте многослойную плату для лучшей помехоустойчивости. Минимизируйте шумы заземления, подключив высокоточное заземление, провод заземления входного байпас-конденсатора и заземление выходного фильтра в одну точку (звездой).

Вывод SW

Вывод SW устройства является быстродействующим коммутационным узлом, поэтому дорожки печатной платы должны быть как можно короче. Чтобы свести к минимуму «обрыв» земли, вывод заземления устройства должен быть припаян непосредственно к шине заземления.

Катушки развязывающие конденсаторы и токочувствительный резистор тока

Особенно важно установить катушку и входной развязывающий конденсатор как можно ближе к выводам микросхемы, чтобы минимизировать паразитное сопротивление и индуктивность, что может ухудшит эффективность. Также важно свести к минимуму любое сопротивление дорожки последовательно с токовым резистором RS. Лучше всего подключить VIN непосредственно к одному концу RS а CSN непосредственно к противоположному концу RS без других токов, протекающих в этих дорожках. Важно, чтобы катодный ток диода Шоттки не протекал по дорожке между RS и VIN, так как это может дать кажущуюся более высокую степень тока, чем есть на самом деле из-за сопротивления дорожек.

Схема подключения

Размеры корпусов

 

Обозначение	Миллиметры		Дюймы
	Мин	Макс	Мин	Макс
A	1.400	1.600	0.055	0.063
b	0.320	0.520	0.013	0.020
b1	0.360	0.560	0.014	0.022
c	0.350	0.440	0.014	0.017
D	4.400	4.600	0.173	0.181
D1	1.400.	1.800	0.055	0.071
E	2.300	2.600	0.091	0.102
E1	3.940	4.250	0.155	0.167
e	1.500 Ном		0.060 Ном
e1	2.900	3.100	0.114	0.122
L	0.900	1.100	0.035	0.043

 

Обозначение	Размеры в миллиметрах		Размеры в дюймах
	Мин	Макс	Мин	Макс
A	1.350	1.750	0.053	0.069
A1	0.050	0.150	0.004	0.010
A2	1.350	1.550	0.053	0.061
b	0.330	0.510	0.013	0.020
c	0.170	0.250	0.006	0.010
D	4.700	5.100	0.185	0.200
D1	3.202	3.402	0.126	0.134
E	3.800	4.000	0.150	0.157
E1	5.800	6.200	0.228	0.244
E2	2.313	2.513	0.091	0.099
e	1.270(BSC)		0.050(BSC)
L	0.400	1.270	0.016	0.050
θ	0°	8°	0°	8°