Le rôle stratégique des circuits d'attaque LED dans les applications d'éclairage

Les lampes à incandescence et autres ampoules plus anciennes utilisent l'électricité pour chauffer un filament ou un gaz, qui brille afin d'émettre de la lumière. La diode électroluminescente (LED), quant à elle, est constituée d'un matériau semi-conducteur spécial qui convertit directement le courant qui la traverse en lumière, un phénomène connu sous le nom d'électroluminescence.

Chaque matériau LED émet de la lumière dans une gamme de fréquences étroite lorsqu'il est alimenté par une tension et un courant spécifiques. Tout écart par rapport à ces valeurs peut entraîner l'arrêt de la production de lumière par la LED ou un changement d'intensité de couleur.

Les concepteurs s'appuient généralement sur la réduction du courant constant (CCR) ou sur la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour contrôler l'intensité des LED. Ces deux techniques visent à ajuster la puissance lumineuse mais fonctionnent de manière fondamentalement différente, chacune présentant ses propres compromis de conception :

• La réduction du courant constant, souvent appelée gradation analogique, fonctionne en réduisant le courant circulant vers la LED. Il s'agit d'une approche simple et à faible bruit, qui ne provoque pas de scintillement et convient donc aux applications basiques. Cependant, la réduction du courant peut légèrement modifier la couleur d'une LED et limiter la plage de gradation, en particulier à de très faibles niveaux lumineux.
• La modulation de largeur d'impulsion fait varier la luminosité des LED en les allumant et en les éteignant rapidement tout en maintenant un courant constant pendant chaque impulsion. Cette technique préserve la cohérence des couleurs et permet une plage de gradation beaucoup plus étendue, souvent inférieure à 1 %. Elle est donc idéale pour les écrans ou les éclairages réglables. L'inconvénient est que la modulation de largeur d'impulsion peut introduire des interférences électromagnétiques (EMI) et un scintillement visible si la fréquence de commutation n'est pas suffisamment élevée. Les concepteurs doivent soigneusement concilier ces facteurs.

La modulation de largeur d'impulsion peut nécessiter des circuits d'attaque plus complexes et une attention particulière au filtrage EMI, tandis que la réduction du courant constant peut être insuffisante dans les applications exigeant la précision des couleurs ou une gradation ultrafaible. Dans certains cas, une approche hybride combinant CCR et PWM offre le meilleur des deux mondes.

Considérations de conception

Les concepteurs peuvent surmonter les limites de la gradation CCR ou PWM grâce à des choix de conception intelligents. Pour la réduction du courant constant, les concepteurs peuvent sélectionner des LED avec des performances de couleur stables sur une large plage de courants, et appliquer une correction gamma ou des courbes de gradation logarithmiques pour ajuster la réponse de gradation à la perception humaine des changements de luminosité. Il en résulte des transitions plus fluides et plus naturelles. Une sélection rigoureuse des circuits d'attaque et une gestion thermique appropriée peuvent également contribuer à maintenir la stabilité des couleurs et à étendre les performances de gradation sans nécessiter de circuits supplémentaires.

Pour la gradation PWM, les principaux défis sont le scintillement, les EMI et la complexité de conception. Ces problèmes peuvent être surmontés en utilisant des fréquences PWM élevées — typiquement au-dessus de 20 kHz à 25 kHz — pour éviter le scintillement visible et minimiser les interférences avec les systèmes audio ou les caméras. Les interférences électromagnétiques peuvent être contrôlées efficacement en concevant le circuit imprimé avec soin, en utilisant des filtres et en sélectionnant des circuits d'attaque LED dotés de fonctionnalités telles que des débits de signaux ajustables. Les circuits d'attaque qui intègrent des capacités PWM simplifient le processus en générant les signaux en interne, éliminant ainsi le recours à une gestion de temporisation précise hors du circuit d'attaque.

La réduction du courant constant peut être privilégiée pour les applications exigeant des EMI minimales, comme les établissements de santé, les laboratoires ou les environnements utilisant des composants électroniques sensibles. Cette option offre une gradation fiable, fluide et sans scintillement sur une plage limitée. Grâce à sa relative simplicité, elle convient également à l'éclairage général dans les habitations, les restaurants et les grandes salles, en particulier lorsque la simplicité et le coût sont des priorités absolues.

La modulation de largeur d'impulsion est souvent privilégiée pour sa cohérence des couleurs élevée et sa large plage de gradation, par exemple pour l'éclairage de scène ou les environnements exigeant un contrôle d'éclairage très précis. Les circuits d'attaque PWM avec sources de signaux intégrées simplifient davantage le processus de conception en gérant la temporisation en interne, réduisant ainsi la complexité de la conception.

Choix de l'option PWM

Les applications nécessitant le contrôle multicanal, la cohérence des couleurs et la fiabilité automobile bénéficient de l'approche PWM.

Par exemple, le circuit d'attaque LED automobile avancé à 36 canaux AL5887Q de Diodes Inc. fournit des capacités de double mode. Il offre une gradation avec une modulation PWM profonde en modulant le rapport cyclique du courant constant de 100 % à 3 %. Cependant, en dessous de 3 %, il passe à un mode de gradation analogique qui produit la même fonctionnalité que la réduction du courant constant via des commandes numériques programmables au lieu d'un circuit analogique classique uniquement CCR.

Avec un oscillateur de 16 MHz intégré, l'AL5887Q élimine le recours à une horloge externe, permettant de simplifier la conception et la configuration des cartes, de réduire l'empreinte des circuits imprimés et de diminuer le coût des nomenclatures (BOM). Il utilise un registre adressable PWM 12 bits et un générateur PWM interne de 30 kHz pour un meilleur mélange des couleurs et un bruit réduit.

Les concepteurs peuvent l'utiliser pour les applications suivantes :

• Éclairage automobile intérieur et extérieur
• Écrans d'infodivertissement
• Voyants d'état
• Écrans tactiles et rétroéclairages d'écran LCD

Ces applications nécessitent le contrôle de la couleur et de l'intensité des LED, fonctions clés facilitées par le circuit d'attaque AL5887Q (Figure 1).

Figure 1 : Le circuit d'attaque LED AL5887Q de Diodes Inc. simplifie les applications d'affichage et d'éclairage automobiles. (Source de l'image : Diodes Inc.)

Contrôle de la couleur d'une LED RVB

Le contrôle de la couleur d'une LED RVB implique d'ajuster le flux de courant vers chacune des trois puces de couleurs différentes contenues dans le boîtier LED (Figure 2). En termes simples, pour produire une couleur jaune vif, les puces rouge et verte sont portées jusqu'à leur maximum spécifié et la LED bleue est atténuée ou éteinte. De même, une large gamme de couleurs peut être produite en contrôlant l'intensité des LED individuelles.

Figure 2 : Pour contrôler la couleur d'une LED RVB, l'application doit ajuster le flux de courant vers chacune des trois puces de couleurs différentes du boîtier LED. (Source de l'image : Broadcom)

Architecture d'une application d'éclairage typique

Une application d'éclairage peut être composée de centaines de LED et d'autres composants, tous commandés par un programme exécuté sur un seul petit ordinateur ou microcontrôleur.

Le brochage de l'AL5887Q est illustré à la Figure 3. Une application peut contenir plusieurs circuits d'attaque, chacun pouvant connecter jusqu'à 12 LED RVB ou jusqu'à 36 LED individuelles, avec des broches dédiées OUT0 à OUT35.

Figure 3 : Brochage de l'AL5887Q. Il peut connecter jusqu'à 12 LED RVB ou jusqu'à 36 LED individuelles, avec des broches dédiées OUT0 à OUT35. (Source de l'image : Diodes Inc.)

Pourquoi l'AL5887Q est un excellent circuit d'attaque LED pour les applications d'éclairage

L'AL5887Q peut assortir les canaux, certains étant utilisés pour le mélange des couleurs et d'autres pour les voyants d'état ou des applications LED monochromes similaires. Chaque canal sert de source de courant constant programmable pour fournir une luminosité et une couleur uniformes — une considération importante pour l'éclairage commercial, automobile ou architectural, où les irrégularités se remarquent facilement.

Détection d'erreur

Outre les capacités de mélange et de gradation des lumières LED, l'AL5887Q détecte diverses conditions d'erreur, telles que les courts-circuits, qu'il enregistre dans un registre d'indicateurs interne. L'AL5887Q alerte le microcontrôleur des problèmes à l'aide de sa broche FAULT. Le mécanisme de détection d'erreur du circuit d'attaque LED permet à l'application exécutée sur le microcontrôleur de réagir et de fournir des diagnostics pour les réparations.

Simplifications pour le développement d'applications

L'AL5887Q décharge le microcontrôleur qui le contrôle de certaines tâches, comme le mappage des couleurs d'intensité, simplifiant ainsi le travail du développeur d'applications. Cela simplifie le programme exécuté sur le microcontrôleur, réduit le temps de développement et rend le système plus robuste en éliminant les sources d'erreurs possibles.

Regroupement en blocs

Certains effets d'animation LED comme le clignotement et la « respiration » (qui ressemble à une pulsation lente) impliquent des actions simultanées sur plusieurs LED. Au lieu que le programme du microcontrôleur identifie chaque LED séparément pour envoyer les mêmes commandes de manière répétée, l'AL5887Q peut être configuré pour regrouper les LED en « blocs ». Le groupe complet peut alors suivre une seule commande.

Prise en charge pour I²C et SPI

Une application LED de haut niveau avec de nombreux périphériques et configurations requiert une logique flexible qui détecte et adapte le comportement en conséquence. Elle peut opter pour I²C, qui utilise deux fils pour détecter des dizaines de périphériques et communiquer avec eux.

D'autre part, une application de bas niveau avec une configuration fixe et une logique simple peut être simplifiée à l'aide de SPI, qui utilise plus de fils mais communique directement avec des périphériques connus.

L'AL5887Q peut s'adapter aux deux types d'architectures d'application. Il peut prendre en charge la méthode de communication I²C ou SPI. Une broche de sélection d'interface (INT_SEL) permet à l'application du microcontrôleur de commander au circuit d'attaque d'utiliser l'une ou l'autre méthode de communication lors du démarrage.

Mode d'économie d'énergie

Lorsque les LED sont éteintes, l'AL5887Q entre automatiquement en mode d'économie d'énergie, dans lequel il ne consomme que 25 micro-ampères. Si le microcontrôleur lui envoie une commande, il reprend son mode normal. Cette fonctionnalité peut être désactivée avec une commande de configuration.

Conclusion

L'AL5887Q, avec son attribut de contrôle PWM 12 bits, combine précision et flexibilité, ce qui en fait un choix polyvalent et fiable pour les applications d'éclairage LED avancées. Son empreinte compacte et ses fonctionnalités intégrées limitent le recours à des composants additionnels, réduisant ainsi le coût global et rationalisant le développement.