Драйвер светодиодного осветителя сканера

 

12.05.06

 

Введение

 

Светодиодные осветители все чаще применяются для освещения объектов в системах получения изображения - сканерах. Функцию управления светодиодным (СИД) осветителем выполняет электронный узел (устройство) называемое драйвером. Управление СИД осветителем сводится к управлению световым потоком, падающим на сканируемый объект . По назначению управление СИД осветителем можно разделить на три вида.

 

1). Формирование равномерной освещенности всего протяженного объекта сканирования. Отдельный светодиод, в отличиии например, от газовых ламп является почти точечным источником света при размерах объекта сканирования формата А4 – А0 и расстоянии до объекта в несколько десятков сантиметров. Вследствие этого для формирования равномерной освещенности объекта используется сетка СИД с различной силой света отдельных элементов. От драйвера СИД осветителя таким образом, требуется управление световым потоком отдельных СИД в сетке.

 

2). Формирование экспозиционного импульса. Поскольку сенсоры изображения сканеров (ПЗС и КМОП матрицы и линейки) итегрируют световой поток, то вторым назначением управления является время включения СИД. Здесь возможно формирование экспозиционного импульса общего для всех ламп в осветителе, или индивидуально для каждой с учетом формирования равномерной освещенности объекта.

 

3). Формирование спектрального состава светового потока. Как правило, СИД осветитель должен формировать свет определенного спектрального состава. Формирование требуемого спектрального состава реализуется использованием в осветителе нескольких СИД с различными диапазонами излучения, так чтобы при суммировании был получен свет с требуемым спектральнвм составом. Использование в осветителе СИД разных диапазонов излучения (цветов) требует применения в драйвере осветителя нескольких параллельных каналов.

 

Для светодиода световой поток пропорционален силе проходящего через него тока. Поэтому, регулировка светового потока СИД осветителя осуществляется изменением тока.

 

Рассматриваемый здесь драйвер СИД осветителя по функциональному назначению относится к многоканальным управляемым источникам тока. Нагрузкой источников тока являются цветные группы светодиодов осветителя. Питание СИД осветителя неизменным током от источника тока обеспечивает идентичность силы света от каждого СИД, безопасный режим работы, линейную характеристику управления яркостью.

 

В настоящее время у крупных производителей ИМС появились специализированные ИС для управления светодиодами (LED Driver). Их основное назначение – управление подсветкой в ЖК-дисплеях. Подобные драйверы включают в свой состав повышающий преобразователь, и набор управляемых источников тока. Повышающий преобразователь обеспечивает питания СИД (или их цепочек) от низковольтных 3В батарей в портативной аппаратуре. Примером таких схем может быть ИС MAX1986 (http://www.maximic.com).

 

Недостатком данных драйверов СИД для применения их в системах формирования изображений следует считать низкую стабильность тока. Так, для MAX1986 стабильность тока составляет 8 %, что недопустимо при сканировании. При столь низкой стабильности тока изображение получается искаженным. При формировании изображения с помощью ПЗС матрицы (все пикселы экспонируются одновременно) нестабильность тока СИД в лампах осветителя приводит к неравномерному освещению сканируемого объекта. При формировании изображения с помощью ПЗС линейки (только пикселы строки экспонируются одновременно) нестабильность тока СИД дополнительно вызовет искажение изображения от строки к строке. Требования к стабильности светового потока осветителя при экспонировании должны иметь сопоставимые значения с качественными характеристиками ПЗС сенсора и тракта формирования цифрового изображения (видеоусилитель и АЦП). Так для средней ПЗС матрицы отношение (сигнал/темновой шум) составляет 2000 (0,05%), аналогичное отношение сигнал/шум имеет 10-бит АЦП. Данный порядок точности требует стабильности светового потока в доли процента.

 

При всех преимуществах имеющихся на рынке интегральных драйверов СИД, им свойственны ряд недостатков: использование ШИМ регуляторов, приводит к повышению уровня шума в системе, для чего нужно использовать соответствующие средства защиты, стоимость таких ИС сравнительно велика. Повидимому, при дальнейшем росте производства ИС этого функционального назначения следует ожидать снижения стоимости и улучшения параметров стабильности тока.

 

Функциональная схема

 

Функциональная схема драйвера представлена на рис. ниже. Нагрузка (осветитель) в данном случае состоит из четырех идентичных СИД ламп, конструктивно объединенных в СИД осветителе. Каждая лампа состоит из 5 СИД разных излучений. Последовательные цепочки имеют общий анод. Лампы разбиты на 2-е группы – центральная и боковая (для формирования равномерного освещения объекта). Центральная и боковая группы отличаются по величине требуемого тока (яркости излучения).

 

 

Драйвер имеет 4 источника тока (ИТ) управляемых напряжением по количеству одновременно включаемых ламп. Управляющее напряжение для ИТ формируется 2-мя ЦАП. Для центральных и боковых ламп управляющее напряжение формируется отдельным ЦАПом. ЦАПы имеют последовательный 3 проводный интерфейс.

 

Подключение последовательных цветных цепочек в лампе к своему ИТ осуществляется 20-ю цифровыми ключами (5цветов х 4 ИТ). Управление цифровыми ключами сгруппировано по цветам и образует позиционный 5-разрядный код Color_Code.

 

Управляющее напряжение с ЦАП для ИТ может блокироваться с помощью цифровых ключей Sides_SW и Centers_SW. При блокировании управляющего напряжения ИТ выключается. Ключи Sides_SW и Centers_SW обеспечивают управление временем включения ИТ (временем экспозиции). Кроме того, эти ключи обеспечивают работу ИТ без перегрузки при отключенных СИД (Color_Code=0) и наличии управляющего напряжения с ЦАП. Ключи Sides_SW и Centers_SW при отсутствии управления блокируют ИТ, что используется для поддержания ИТ в выключенном состоянии при включении коммутатора (подаче питания).

 

Для сокращения числа интерфейсных линий передача кода цвета Color_Code и битов включения ИТ используется регистр с последовательной загрузкой. Запись в регистр производится по отдельному сигналу CS_RG. Линии загрузки данных (D) и тактовых импульсов (CLK) общие для загрузки ЦАПов и регистра.

 

Процедуры управления

 

Драйвер позволяет формировать экспозиционные имульсы осветителя как с помощью управления током осветителя (яркостью излучения), так и с помощью длительности включения осветителя. Возможны также различные комбинации этих основных способов управления. Рассмотрим эти процедуры управления.

 

1. Формирование экспозиции путем управления током осветителя. В этом режиме длительности экспозиционных импульсов для каждого цвета одинаковы. Регулирование экспозицией осуществляется путем управления яркостью свечения (тока). Порядок формирования экспозиции для цвета, определяемого Color_Code в драйвере, построенном без использования ключей цветовых групп показан на рис. А ниже.

 

 

Для каждого цвета загружается свое значение напряжения ЦАПов (токов ИТ). Код цвета указывается в команде загрузки ЦАПов. Соотношение кодов мд ЦАПами определяет соотношение мд токами центров и боков осветителя. Загрузка 0-кодов в ЦАПы выключает осветитель и заканчивает формирование имульса экспозиции.

 

Для рассматриваемого драйвера сходная процедура приведена на рис. В. Отличается эта процедура наличием отдельной команды загрузки кода цвета и битов включения. Первая такая команда включает осветитель, а вторая выключает его. Время передачи команд процедуры в этом способе у рассматриваемого драйвер немного меньше.

 

2. Формирование экспозиции путем управления времени включения (длительности экспозиционного импульса). В этом режиме токи центральных и боковых частей осветителя для каждого цвета одинаковы. Последовательности команд для этого режима управления приведены на рис. ниже.

 

Для драйвера без ключей цветоых групп последовательность команд для данного режима отличается от предыдущего режима использованием времени включенного состочния мд перезагрузками ЦАПов специфичной для каждого цвета. Для рассматриваемого драйвера коды ЦАПов утанавливаютя однократно, а формирование экспозиции осуществляется командами включения и выключения осветителя с указаниеем кода цвета. Поэтому время на передачу команд формирования экспозиционного импульса в несколько раз меньше.

 

 

Формирование экспозиции с управлением длительностью экспозиционного импульса имеет следующие преимущества в сравнении с режимом управления током:

1.                 Достижение наименьшего времени на экспозицию, тк используется наибольший рабочий ток СИД осветителя. Это обеспечивает увеличение скорости сканирования,

2.                 Уменьшение времени на передачу команд формирования экспозиции,

3.                 Обеспечение более равномерой яркости отдельных светодиодов в осветителе за счет использования наибольшего рабочего тока светодиодов при котором производится их отбор по яркостным характеристикам.

 

Описание электрической схемы

 

 

Рис. Принципиальная электрическая схема драйвера.

 

Источники тока (ИТ). ИТ выполнены по схеме с обратной связью на ОУ и усилительном транзисторе. Подобная схема обеспечивает установку тока с точностью не хуже 1 %. Для ИТ центральных частей осветителя используется сдвоенный ОУ D8, боковых – D12. ОУ имеет однополярное питание от входного напряжения 20 В. Эмиттерный резистор является измерителем тока и имеет точность 1 %. Усилительный транзистор (КТ664Б9, ВСХ51 http://www.kremny-m.ru/) имеет мощность рассеяния 1 Вт для рассеяния избытка напряжения. Резистор мд базой и выходом ОУ является ограничителем тока базы при насыщении ОУ в нижнем плече. Ток ограничения: (16В – Uбэнас – Uнас оу)/(59Ом+560Ом) = (16В - 0.7В - 0.7В) / 620 Oм = 24мА. Параллельный с переходом БЭ и обратной проводимостью диод защищает БЭ переход транзистора при насыщении ОУ в верхнем плече. Этот режим используется при выключении ИТ. Номинал измерительного резистора в 59 Ом выбран из условия поддержания тока 50мА при управляющем напряжении 3В: R = 3B / 0.050A = 60Ом. Управляющее напряжение ИТ (неинверсный вход ОУ) отсчитывается от напряжения питания ИТ – 16 В и имеет расчетные значения в диапазоне от 16В (ИТ выключен) до 16В – 3В = 13В (ИТ имеет макс рабочий ток).

 

Вычитатели. Для формирования управляющего напряжения от верхнего плеча 16 В из выходного напряжения ЦАП от нижнего плеча используются вычитатели на ОУ по дифференциальной схеме с почти единичными коэффициентами вычитания. Для двух вычитателей используется сдвоенный ОУ D6. Питание этого ОУ аналогично питанию ОУ ИТ. Вычитатель имеет небольшой разбаланс для надежного закрывания ИТ при небольшом выходном напряжении ЦАП при нулевом коде и с учетом ошибок (напряжений смещения  и входных токов ) ОУ ИТ и вычитантеля. Расчет разбаланса приводится ниже.

 

Ключи ИТ. Ключ ИТ выполнен на 3 полевых транзисторах V2, V4, V6 (http://onsemi.com/

). Ключ в свободном состоянии закорачивает вход управления ИТ на источник 20В, что закрывает ИТ. Выход ОУ вычитателя также закорачивается на 20 В через резистор 3К92, что ограничивает выходной ток ОУ вычитатеяля до 20В/4кОм = 5 мА.

 

Ключи цветных групп осветителя. Ключи выполнены на n-канальных МОП с сопротивлением канала 3-5 Ом, что обеспечивает падение напряжения при максимальном рабочем токе не более: 0.050А*10 Ом = 0.5В. Рассеиваемая мощность: P = 0.050A*0.5В = 0.025 Вт. Время включения ключа не более 1 us, его расчет приводится ниже. Затворы ключей одинаковых цветовых групп объеденены. Каждая такая группа затворов через ограничительный резистор образует шину управления цветом с позиционным кодом Color_Code. Ограничительные резисторы удерживают ток заряда затворов (выходной ток регистра) на уровне 5В/100Ом = 50 мА. К группам затворов подключены также подтягивающие вниз резисторы сопротивлением 22кОм для закрывания ключей при нахождении выходов управления (регистра или MCU) в высокоимпедансном состоянии.

 

ЦАП и источник опорного напряжения. Используется сдвоенный ЦАП с трехпроводным последовательным интерфейсом MAX5222EKA. Наибольшее время установки 10 us, тактовая частота 25 МГц. Интерфейсные линии выведены на разъем управления коммутатора с подтягивающими к верху резисторами. Сигнал выбора ЦАПа имеет в интерфейсе имя DAC_CS. Источник опорного напряжения для ЦАПа формирует напряжение 3 В. Он собран на параллельном регулируемом стабилизаторе К1156ЕР1 (http://www.sitsemi.ru/). Выходное динамическое сопротивление такого стабилизатора менее 0.5 Ом, точность 1%.

 

Формирователи напряжений питания.  Для формирования напряжения питания ИТ 16В используется проходной реулируемый стабилизатор со входом выключения типа К1156ЕН5ВП (http://www.sitsemi.ru/). Стабилизатор формирует из входного напряжения 20 В напряжения 16 В. При этом при расчетном токе 0.250А стабилизатор рассеивает мощность (20В-16В)*0.250А = 1Вт, что обеспечивает его использование без дополнительного радиатора.

 

Защита коммутатора от перегрузки по току выполнена на диодной сборке D1 2Д803АС9 (http://www.daleks.ru/) на входе питания коммутатора. Диоды сборки имеют максимальный рабочий ток 200 мА и импульсный ток 1А, что обеспечивает их разрушение при увеличении тока потрбяемого нагрузкой более 1А. Второй диод сборки блокирует неправильную полярность входного напряжения питания 20 В. Возможно использование дополнительного точного электронного предохранителя на компараторе с использованием входа управленя ИС стабилизатора 16В.

 

Питание цифровых ИС драйвера осуществляется от источника 5 В на стабилизаторе К1277ЕН5Т (http://www.sitsemi.ru/). Расчетное значение тока источника 50 мА. Стабилизатор питается от напряжения 16 В через баластный резистор 91 Ом.

 

Для установки ключей в выключенное состояние в момент подачи питания необходимо обнуление регистра управления. Эту функцию выполняет монитор пониженного напряжения питания и формирователь сигнала сброса на ИС MAX6443US46L. Поскольку для регистра используется логика HCT, обладающая требуемым быстродействием и экономичностью, формирователь сброса должен обеспечивать достаточно высокую скорость нарастания сигнала сброса.

 

Микроконтроллер.  Управление временем включения ИТ (временем экспозиции) в зависимости от цвета может выполняться микроконтроллером драйвера. Для этой цели может быть применен, напрмер AT90S2313 (ATTity2313) с тактовой частотой 10-15 МГц. У MCU необходимо 10 портов на выход (5 – Color_Code, 2 – Ключи_ИТ, 3 – загрузка ЦАП) и 3 порта на вход для 3 проводного последовательного интерфейса приема команд цифрового управления драйвером.

 

Конденсаторы фильтров питания: Используются конденсаторы для поверхностного монтажа завода Гириконд

(http://tkd.com.ua/item.php?item_type=1&item=771):

            К53-56А-16В-22мкФ – 20%

            К53-56А-25В-10мкФ – 20%

            К10-69В-25В-1мкФ – 20% -Н30

            К10-69В-25В-0,15мкФ – 20% -Н30

 

 

Расчет напряжения питания ИТ

 

Падение напряжения при макс. токе 0.050А:

 

 - на измерительн. сопротивлении 60 Ом                        3 В,

 - на насыщенном транзисторе                              0,3 - 1 В,

 - на 3-х голубых СИД                                             10 - 12 В,

 - на ключе NMOSFET 10 Ом BSS138(КП505)    0.5 В.

 

Итого: 13,8В – 16,5 В

 

Используем напряжения питания источников тока 16 В от стабилизатора с регулируемым выходным напряжением, тк 16 В нестандартное напряжение.

 

 

 

 

 

 

 

Расчет площади радиатора

(монтажной площадки под коллекторм) транзистора ИТ

 

Расчет произведем для транзистора типа BCX51, производства Infineon (http://www.infineon.com/) Inc в корпусе SOT89. Отчественный аналог корпуса SOT89 – корпус КТ47. Теплоотводом является печатная плата с медной площадкой под коллектором транзистора.

 

Возможно использование транзисторов КТ513, КТ515, КТ664 производства ПО «Элекс» в корпусе КТ47. Нет паспортных данных.

 

Термосопротивление BCX51 по паспорту:          R _{th JS} = 20 К/W;

 

Рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора :

            Падение напряжения на ИК СИД:                                    U _IR = 4.5V;

            Падение напряжения на измеритеном сопротивлении: U _MR = 3V;

            Ток в цепи:                                                                           I _max = 0.050A;

            Мощность      P _tot = (16V – 4.5V – 3V)* 0.050A = 0.425W;

            Примем:         P _tot = 0.5W;

 

Температура окружающего воздуха T _A = 30^oC;

Масимально допустимая температура перехода T _{J max} по паспорту = 150^oC;

Выберем температуру перехода T _J  =95^oC;

 

Термосопротивление платы:

            T _J = T _A + P _tot (R _{th JS} + R _{th SA});

            R _{th SA} = (T _J - T _A) / P _tot - R _{th JS};

            R _{th SA} = (95 ^oC - 25 ^oC) / 0.5W  -  20^oC/W;

            R _{th SA} = (95 ^oC - 30 ^oC) / 0.5W  -  20^oC/W;

            R _{th SA} = 110^oC/W;

 

Определим из графиков площадь монтажной площадки для коллектора

Используем меньший перепад температур dT = 50 ^oC и

                                                                       T _S = 75^oC, T _A = 25^oC.

S _Cu (R _{th SA} = 110^oC/W) < = 200 mm²;

Длина квадратной площадки для коллектора L = sqrt(S _Cu ) = 14.1 мм = прибл. 15 мм.

 

 

Определение точности резисторов вычитателя

и ошибки вычитания

 

 

Отклонение напряжения на выходе вычитателя, вызванное допуском на сопротивление резистора и ТКС:

 

для резистора с допуском d = (+/-) 1%,

0.99R / (0.99R+1.01R) * (1+0.99R/1.01R) = 0.99/2*1.98 = 0.98

(1 - 0.98)*U2 = ошибка 2% = 320 мВ,

 

для резистора с допуском d = (+/-) 0.1%,

0.999R / (0.999R+1.001R) * (1+0.999R/1.001R) = 0.999/2*1.998 = 0.998

(1 - 0.998)*U2 = ошибка 0,2% = 32 мВ,

 

Учтем уход сопротивления при изменении температуры. Отклонение сопротивления, вызванное изменением температуры сравнимо с допуском на сопротивление. Поэтому будем считать:

 

для резистора с допуском d = (+/-) 1%,                 Ошибка = 640 мВ,

для резистора с допуском d = (+/-) 0.1%,              Ошибка = 64 мВ,

 

Для вычитателя будем использовать резисторы с допуском 0.1%, тк ошибка не превышает половины от 300мВ. Используем прецизионные SMD резисторы

Р1-16(П) – 0.062 -20кОм - 0.1% -0805,

Р1-8М(П) – 0.062 -20кОм - 0.1% - 0805.

 

 

Выбор ОУ источников тока

 

Требования:

1. Наряжение питания однополярное, более 20 В
2. Корпус для поверхностного монтажа, сдвоенный или счетверенный ОУ,
3. Время установки в режиме повторителя для входног импульса напряжением 3 В не более 5 us,
4. Допустимое напряжение для входа с 0 В.

 

            Для ОУ ИТ был выбран ОУ К1464УД1Т (производства «НТЦ СИТ», http://www.sitsemi.ru/). Со следующимим парметрами:

 

1.     Напряжение питания однополярное 3..32В,

2.     Напряжение смещения до 9 мВ

3.     Входной ток ОУ не более 0.5uA,

4.     Разность входных токов не более 0.15uA,

5.     Время установки в режиме повторителя для входног импульса напряжением 3 В    10 us (для аналога LM358),

6.     Температурный коэфф. напряжения смещения не более 20uV/^oC (для аналога           LM358).

 

 

Ошибки ОУ вычитателя и ОУ ИТ

 

Ошибка, вызванные напряжением смещения Uos при единичном к-те усиления

            - для вычитателя равна величине Uos: Uout = 1*(+/-Uos)

            - для ОУ ИТ также равнв величине Uos: Uout = 1*(+/-Uos)

 

Таким образом, ошибки в выходном напряжении, обусловленные Uos для К1464УД1 будет составлять

            2* Uos = 18 мВ;

 

Ошибка, вызванные температурным изменением напряжения смещения  при единичном к-те усиления

            Темпрературный к-т для напряжения смещения К1446УД1 20 мкВ/C. При изменении температуры на 70 С, изменение напряжения смещения составит

 20 мкВ/C*70С = 1,4 мВ.

 

Ошибки, вызванные токами смещения Iсм и раностью токов смещения dIсм:

 

Ошибка I см: Для К1446УД1 входной ток является вытекающем и равен 0.5 мкА. Такой ток смещенияя создаст на резисторе R1 = 20к напряжение ошибки Ue = 0.5мкА*20кОм =10 мВ.

 

Ошибка dIсм: Для К1446УД1 разность входных токов равна 0.15 мкА. Такая разность входны токов создаст на сопротивлении обратной связи R2 = 20к напряжение ошибки Ue = 0.15мкА*20кОм =3 мВ.

 

 

Рис. Вычитатель и ИТ.

 

Суммараня ошибка ошибок ОУ для вычитателя и ИТ: 18мВ+1,4мВ+10мВ+3мВ = 39.4мВ.

 

Расчет сопротивлений вычитателя

для начального выключения ИТ при нулевом коде ЦАП

 

Расчет запаса по напряжению dU на выходе вычитателя, которое обеспечивает выключение ИТ при нулевом коде ЦАП. Дополнительное выключающее напряжение на выходе вычитателя dU необходимо для надежного закрывания ИТ даже при нулевом коде ЦАП, поскольку действует несколько факторов открывающих ИТ:

 а) нулевому коду ЦАП соответствует небольшое напряжение на аналоговом выходе ЦАП, которое открывает ИТ,

б) ограниченная точность сопротивлений вычитателя также может привести к открыванию ИТ,

в) ошибки ОУ вычитателя и ИТ (входные токи и напряжения смещения) могут привести  к открыванию ИТ,

г) температурный уход сопротивлений и ошибок ОУ.

 

            По этой причине, управление током ИТ от напряжения, формируемого ЦАП должно осуществляться таким образом, чтобы нулевому коду и небольшой части начальных кодов ЦАП соответствовал нулевой ток через нагрузку (см рис. ниже). Диапазон кодов ЦАП должен линейно соответствовать диапазону токов от 0 до максимального тока черз нагрузку 50 мА.

 

 

            Запас по dU сокращает диапазон напряжений ЦАП Udac. Будем считать допустимым нерабочий участок напряжения ЦАП размером в 10%. При диапазоне напряжения Udac = 3В: dU >= 300 мВ, а нерабочими кодами могут быть 10 % кодов ЦАП: 0..25 для 8 битного ЦАП.

            Суммарная ошибка выходного напряжения вычитателя и ОУ ИТ, вызванная неточностью резисторов и ошибками ОУ составит: 62 мВ(ошибка резисторов) + 39,4 мВ (ошибка ОУ) = 101.4 мВ. С учетом этой величины к-та запаса будем считать достаточным дополнительное смещение вычитателя dU = 200 мВ.

 

1. Расчет добавочного сопротивления R для увеличения к-та передачи по неинверсному входу (для напряжени U2).

 

1.1 К-т передачи дифференциального усилителя на ОУ (см рис. ниже):

           

 

1.2 Для единичного усиления R2=R1 и R2/R1=1,    R3=R4

1.3 Увеличение к-та усиления по неинверсному входу организуем за счет увеличения сопротивления R4 или включения дополнительного сопротивления R.

1.4 Тогда напряжение на выходе при U1 = 0 и R1/R2=1, R4 = R3+R

 

           

 

 

для R3 = 25k (AMP03);

R = (2*25k*dU) / 16V = 3.125* dU[mV] = 3*200mV = прибл. 620 Oм.

 

для R3 = 20k;

R = (2*20k*dU) / 16V = 2.5* dU[mV] = 2.5*200mV = прибл. 500 Oм.

 

Дискретность регулировки времени включения осветителя

 

1. Общее время включения осветителя для проведения экспонированнния ПЗС:

                  T_on = 2.5 ms

2. Количество дискретов для регулирования времени экспонированния:

                  N_exp= 255;

3. Длительность одного дискрета включения осветителя:

                  T_on1 = T_on1  / N_exp =10 us;

 

 

Расчет времени включения ключа ИТ

и ключа цветной группы

 

Расчет времени включения ключа ИТ произведем через расчет времени включения 3

MOSFET, составляющих этот ключ.

 

            I = C*(dU/dt)

 

            dt =(C* dU) / I

 

                                               Cgs (BSS138, BSS84) = 30 pF;

 

                                               dU = 5V,

 

dt(I = 10 mA) =        (    30*e-9F   *   5V   ) / 10e-3mA     =  15ns;

 

Для 3-х MOSFET в ключе ИТ: 3* dt(I = 10 mA) = 15ns * 3 = 45 ns;

Время включения ключа ИТ значительно меньше длительности T_on1 одного дискрета включения осветителя и является приемлимым.

 

Расчет времени включения ключа цветной группы. Поскольку ключи (4 шт. ) одинаковых цветовых групп объединены то С = 4*30pF = 120 pF, а время включения для того же тока 10 мА составит 15нс*4 = 60 нс.

 

Регистр последовательного интерфейса для управления ключами

 

            Для сокращения числа линий передачи данных к драйверу рационально использовать 3-проводный последовательный интерфейс. Для сохранения состояния ключей цветовых групп и ключей источников тока в этом случае используем последовательный регистр. Основными требованиями к такому регустру будут:

·      - разрядность 8 бит,

·      время загрузки 8-бит слова меньшее чем минимальное время экспозиции 2.5us. При этом тактовая частота 8/2.5us =3.2 МГц.

·      втекающий и вытекающий ток выходного каскада 10 mA для требуемой скорости включения ключей,

·      корпус SO для сокращения габаритов,

·      двойная буферизация данных, поскольку принимаемые данные во время сдвига не должны попадать на управление ключами. Этого можно достичь использованием третьего состояния выхода или использованием сдвоенного регистра,

·      регистр или вспомогательная логика должна иметь вход для разрешения/запрета сдвига (~CS), тк линия данных используется совместно с интерфейсом загрузки ЦАП.

 

            Структура регистра, отвечающая указанным требованиям реализована в в регистре 594 серии 74хх. Функциональная схема регистра 74хх594 показана на рис. ниже.

            74хх594 имеет последовательный 8 бит регистр сдвига с 8 бит регистром хранения. Оба регистра имеют внешние входы сброса (~SHR, ~STR), что позволяет сбрасывать оба регистра при подаче питания, в отличии от регистра 74хх595. 74хх594 не имеет входа управления последовательной загрузкой, поэтому эта функция реализована дополнительно на логику 4 И-НЕ, путем запрета прохождения тактовых импульсов на регистр сдвига (см. рис. ниже).

            Для регистра сдвига выбрана серия 74НС, обеспечивающая достаточный выходной ток (до 25 мА), а также наименьшую тактовую частоту при питании 5 В - 24 МГц. Для управления входами регистра 74НС необходимо установить выходные линии порта MCU платы управления для формирования сигналов КМОП-уровня.

 

 

            Разрешение последовательной загрузки регистра происходит при подаче сигнала RG_CS низкого уровня, по аналогии с сигналом разрешения загрузки ~CS у последовательных ЦАП Maxim. Задержка поступления тактовых импульсов равна 2м задержкам распространения на элементах И-НЕ. Запись данных в регистр сдвига производится по переднему фронту тактового импульса (как у самого регистра 74хх594, так и с учетом логики управления), также аналогично интерфейсу записи в ЦАП Maxim. Перезапись из сдвигового регистра в регистр хранения происходит по переднему фронту сигнала RG_CS. В момент включения и инициализации MCU платы АС, когда порты находятсяв 3 состоянии, неактивный высокий уронень линии RG_CS поддерживается резистором подтяжки к шине питания.

            Объединение сбросов обоих регистров в ИС 74хх594 обеспечивает обнуление выходного регистра и регистра сдвига (выключенное состояние ключей). Диаграммы сигналов при загрузке регистра ключей сходна с диаграммами загруки ЦАП Maxim (см. рис. ниже). Перед подачей первого тактового импульса низкий активный CS сигнал должен быть выдержан 50 - 100 нс, аналогично после подачи последнего тактового импульса CS должен сохраняться то же время. Это необходимо для компензации задержки тактовых импульсов при прохождении чз 2 И-НЕ и записи данных из сдвигового регистра в регистр хранания.

 

 

Разъемы

 

Для разъемов питания использованы изделия карачевского завода «Электродеталь» (http://www.promelec.ru/lines/conn_3_4.html) типа РГ1Н-1-1.

Остальные разъемы типа PW10-6 и PW10-8. Эти разъемы имеют ключи и защелки для фиксации пары. Хочется привести адрес завода-производителя разъмов в Казани – завод «Элекон» (http://www.zavod-elecon.ru/connlist.html).

 

Узел и программа микроконтроллера

 

В приведенной выше схеме драйвера отсутствует цифровое управление (управление ключами и загрузка ЦАП) для формирования экспоимпульса и установки токов ИТ. Эта функция может быть реализована добавлением в схему драйвера узла с микроконтроллером (MCU). Другим вариантом является формирование цифрового управления процессором платы управления (ПУ), отвечающей за управление драйвером осветителя.

 

Выбор варианта цифрового управления зависит от степени загруженности процессора ПУ. Если процессор ПУ в необходимый момент времени имеет свободные ресурсы на формирование сигналов цифрового управления драйвером, то надобности в отдельном MCU драйвера осветителя нет. Загрузка MCU драйвера осветителя невелика: необходимо с помощью таймера формировать импульсы экспозиции в зависимости от цвета и в нужный момент загружать ЦАП. Поэтому, в предлагаемом драйвере функция формирования цифровых сигналов управления вынесена в ПУ. При большой загрузке процессора ПУ, когда его таймер не может выполнить формирование экспоимпульсов с требуемым дискретом управления по времени – следует использовать вариант с MCU в драйвере осветителя.

 

В случае использования в драйвере MCU обязательно необходима обратная связь между ПУ, которая задает работу драйвера. Данная линия обратной связи должна указывать на окончание процесса экспозиции. Это требование увеличивает кол-во линий интерфейса в сравнении с вариантом, когда формирование сигналов управления оставлено на процессоре ПУ.

 

При включении MCU в драйвер осветителя, рассмотрим некоторые аспекты связи между MCU драйвера и процессором ПУ. Связь между этими процессорами заключается в односторонней передаче команд цифрового управленеия из процессора ПУ в MCU драйвера осветителя. Для команд цифрового управления в рассматриваемом драйвере достаточно 8 битного формата. При этом 5 бит следует отвести на код операции OPCode команд управления, а оставшиеся 3 бита - на цифровой код цвета Color_Code. Можно использовать 3 типа передачи команд в МCU драйвера осветителя (межпроцессорный интерфейс). Возможности такого интерфейса ограничиваются возможностями выбранного выше MCU драйвера осветителя (ATtiny2313

http://www.atmel.com/dyn/products/devices.asp?family_id=607).

 

1. Использование USART у ATtiny2313. Режим синхронный или асинхронный с удвоенной скоростью перадачи. При передаче команд чз USART время передачи бита равно fck/4, для fck=20 MHz: частота передачи бит команды f1bit=20/4=5 MHz. Этот вариант предполагает использование 3- проводного синхронного интерфейса SPI.

 

2. Использование прерывания MCU. Восстановление начала команды по INT1 и дальнейшее считывание из порта на макс. скорости. При использовании прерывания (востанновление начала команды) необходимо учитывать время реакции на прерывания MCU. Оно составляет 4 такта MCU. Это время войдет во время восстановления начала импульса синхронизации, при использовании прерывания на каждый импульс цифровых данных это время необходимо учитывать на каждяй бит данных. При синхронизации пакета от внешнего прерывания учтем, что на синхронизацию будет достаточно 2-4 импульса СК. Тогда, время пердачи 8 бит команды составит:

При Tck = 0.1 us:                   (8бит+1синхро )*(2-4)*0.1us = 2-4 us.

Самая большая скорость даже при скорости MCU 10 МГц.

 

3. Использование асинхронного интерфейса UART. Максимальная частота передачи одного бита при этом составит 2us/CLK (частота передачи тактов не более 500 кГц для AT90S3213@10MHz и 2 МГц для ATtiny2313@20MHz). Тогда время передачи одной 8- бит команды: (8+1+1)*2us = 20us.

 

Интересная программа для MCU имеется на сайте «Телесистемы» (Ридико Леонид Иванович, «Контроллер шагового двигателя»,

http://telesys.ru/projects/proj077/index.shtml). В этой статье MCU используется для формирования временных последовательностей управления шаговым двигателем. Эта программа может использоваться как основа для разработки программы управления в MCU драйвера осветителя.

 

 

 

 

Проект печатной платы драйвера

 

Для рассматриваемой схемы была разработана печатная плата в пакете PCAD2002. Плата имеет следующие конструкторско-технологические параметры:

            - размеры 105 мм х 50 мм,

            - количество слоев 2 (двустороняя),

            - класс точности -3 (третий),

            - материал основания: толщина 1,5 – 1,2 мм, толщина фольги -35 мк,

            - маркировка ненужна (хотя в файле проекта присутствуют слои TopSilk и BotSilk),

            - плата имеет прямоугольную форму без вырезов,

            - минимальная использованная ширина проводника – 12 mil (0,3мм),

            - минимальный использованный зазор -10 mil (0,25 мм),

            - парметры использованного переходного отверстия: диаметр 20mil (0,5мм), площадка 48mil (1,2 мм). Исходя из этого минимальный используемый поясок 0,3 мм

 

 

 

 

Документация на изготовление драйвера доступна в виде заархивированных файлов проекта для РСAD2002:

- файл печатной платы ( LedDriverPCB.rar),

- файл принципиальной схемы со спецификацией ( LedDriverSCH.rar),

- библиотека электонных компонентов, использованных в драйвере для PCAD2002( myLib.rar),