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。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Reinhardt Wagner是ADI公司的杰出工程師，工作地點(diǎn)在德國(guó)慕尼黑。他最初就職于Maxim Integrated，現(xiàn)在就職于ADI公司的工業(yè)自動(dòng)化部門。在過去的21年里，他主要負(fù)責(zé)通信和輸入/輸出器件領(lǐng)域的新型工業(yè)芯片產(chǎn)品定義工作，涉及IO-Link、快速數(shù)字I/O、Beyond-the Rails™模擬開關(guān)和數(shù)字隔離等產(chǎn)品。