作者：Reinhardt Wagner，杰出工程師

摘要

本文介紹了一種簡單小巧的解決方案，用于驅動LED來在系統通電/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，但它取代了傳統解決方案中的眾多元器件。該電路不僅獨立運行且功耗低，同時具備出色的抗誤接線穩定性，非常適合用于工業及類似系統。

簡介

工業控制系統普遍采用24 V DC作為現場電源電壓，通常由設備（例如控制器主機以及I/O和通信模塊）上的LED信號指示電源電壓的有無。對于可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(DCS)控制器、電源單元、傳感器和執行器等工業系統/子系統而言，LED電源指示燈有助于縮短安裝、維護和停機時間。當滿足規定的條件時，例如電壓處于所需的工作電源電壓范圍內，電源LED應該亮起。盡管概念上很簡單，但實際實現卻頗具挑戰。電源LED需要帶有滯回的電壓比較器，能夠自供電，并且可以持續驅動LED。

此類電路的其他要求包括：

· 低功耗

· 當電源電壓低于最低工作電壓時，LED燈必須關閉

· 光強度應與電源電壓無關

· 電路應能承受過電壓

· 抗誤接線穩定性出色，例如可以應對極性接反情況下遇到的負電壓

電路雖然簡單，但其性能往往會受到元器件特性、溫度變化以及電壓波動的顯著影響。

背景知識

該LED驅動電路基于對一款工業數字輸入芯片的重新利用，實現了與其最初預期應用不同的功能。工業輸入常見于工業控制系統中，基于24 V邏輯，具有明確規定的輸入電流/電壓特性和定義的輸入閾值電壓。對于常見的3型工業輸入，在最大輸入高閾值電壓11 V時，灌電流輸入（有時也稱為p型輸入）的下拉電流要求大于2.0 mA。為了盡量降低功耗，如今的數字輸入電路會限制輸入電流，將其嚴格調節到略高于2.0 mA限值的水平。

構想

注意到2.0 mA與常見的LED驅動電流一致，并且工業數字輸入具有明確定義的開關閾值，我們不禁要問：像MAX22191這樣的單通道數字輸入芯片是否適合電源監控和LED驅動應用？這款工業輸入器件設計用于通過其OUT引腳驅動光電隔離器。圖1為建議的應用電路。REXT是一個電流設置電阻，能夠在2.0 mA至2.6 mA范圍內調節OUT電流。

圖1.電源監控LED驅動器

內部電流源的容差為±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，并且光強度隨電源電壓的變化幾乎可以忽略不計。電流源額定OUT輸出順從電壓為5.5 V，因此能驅動大多數現代LED。該器件的電源電流為110 µA（典型值），進一步保證了整體解決方案的低功耗表現。

如圖2所示，LED電流在9 V（典型值）時迅速導通，在8 V（典型值）時關斷，兩者之間存在1 V的滯回電壓。具體的最大導通和最小關斷閾值電壓，請參閱MAX22191數據手冊。如果需要更高的閾值電壓，可以將一個電阻RIN與IN輸入串聯，如圖3所示。RIN值的計算公式為：RIN = (閾值電壓增量)/IIN。

如圖2所示，在導通狀態下，LED電流不隨輸入電壓的變化而變化。這與使用簡單的雙極/MOS晶體管驅動LED形成對比，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系

LED控制

針對需要在邏輯控制下打開/關閉LED的應用場景，可以方便地使用TEST輸入，如圖3所示。此電路支持實現一些輔助功能，例如上電延遲、閃爍或其他狀態反饋。

圖3.具有開/關控制和更高閾值電壓的電路

穩健性

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，這為浪涌保護和應對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，電路的輸入電流將降低至1 µA。

結論

MAX22191簡化了LED電源指示應用的設計，其SOT23封裝和低功耗電流設置進一步縮小了電阻解決方案的尺寸。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

作者簡介

Reinhardt Wagner是ADI公司的杰出工程師，工作地點在德國慕尼黑。他最初就職于Maxim Integrated，現在就職于ADI公司的工業自動化部門。在過去的21年里，他主要負責通信和輸入/輸出器件領域的新型工業芯片產品定義工作，涉及IO-Link、快速數字I/O、Beyond-the Rails™模擬開關和數字隔離等產品。