白色LEDドライバICの動作

■問題

【 LT3465 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，LEDドライバICのLT3465を使用して，4個の白色LEDを点灯させるための回路です．電源は，3.7Vのリチウム・イオン電池を使用し，SW₁で点灯と消灯を，またSW₂で点灯する個数をコントロールします．
　SW₂がOFFの状態で4個のLEDを点灯させたとき，FB端子の電圧は0.2Vで，VOUT端子の電圧は，13.3Vでした．次に，SW₂をONの状態にして，3個のLEDを点灯させました．
　このとき，VOUT端子の電圧として最も近いのは，(a)～(d)のどれでしょうか．なお，4個のLEDの特性はすべて等しいものとします．

図1　LEDドライバICのLT3465を使用した白色LED点灯回路
SW₂をONの状態にしたときのVOUT端子の電圧は？

(a) 13.3V　(b) 10.0V　(c) 9.8V　(d) 9.6V

■ヒント

　LT3465は，FB端子の電圧が常に0.2VとなるようV_OUTの電圧をコントロールし，LEDに流れる電流を一定の値にします．これを踏まえて，LEDの1個あたりの電圧を計算すれば，答えは簡単に分かります．

■解答

(b) 10.0V

　4個のLEDを点灯させたときのVOUT端子の電圧が13.3Vで，FB端子の電圧が0.2VなのでLEDの1個あたりの電圧は，(13.3-0.2)/4と計算できます．3個のLEDを点灯させたときのVOUT端子の電圧(V_OUT)は，4個のLEDを点灯させたときの電圧から，1個のLEDの電圧を引いたものなので，「V_OUT=13.3-(13.3-0.2)/4=10.025」と計算できます．そのため，正解はbの10.0Vとなります．

■解説

●白色LEDの電圧電流特性
　図2は，NSPW500BSという品番の白色LEDの，印加電圧と電流のグラフです．一般的なダイオードは，0.6V程度の電圧を加えると電流が流れ始めます．しかし，白色LEDは，2.5V以上の電圧を加えないと，電流が流れません．また，図2より，このLEDに20mAの電流を流すためには，3.3Vの電圧を印加する必要があることが分かります．

図2　白色LED(NSPW500BS)の，印加電圧と電流のグラフ
白色LEDは2.5V以上の電圧を加えないと，電流が流れない．

●抵抗を使用した白色LEDの点灯回路
　図3は，3.7Vのリチウム・イオン電池を使用して，複数のLEDを点灯させる回路として考えました．

図3　リチウム・イオン電池を使用して複数のLEDを点灯させる回路例
この回路は，リチウム・イオン電池の電圧が変動すると，LED電流が大きく変動してしまう

　リチウム・イオン電池の電圧をV_Liとし，LEDに流す電流をI_LED，その電流が流れるときのLEDの電圧をV_LEDとします．すると，LEDに直列に挿入する抵抗(R)は式1で計算することができます．ここで，I_LEDを20mAとすると，Rは20Ωとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　ただし，この回路には2つの問題があります．1つ目は，LED電流のばらつきです．それぞれのLEDの順方向電圧がばらついた場合，LEDごとに流れる電流がばらついてしまいます．2つ目は，リチウム・イオン電池の電圧が変動すると，LED電流が大きく変動してしまうということです．リチウム・イオン電池の充電直後の電圧が4.1Vで，電池残量0と判定する電圧を3.2Vとすると，リチウム・イオン電池の電圧は，3.2Vから4.1Vまで変動することになります．
　図4は，図3でリチウム・イオン電池の電圧が3.2Ｖから4.1Vまで変動したときの，LED電流をシミュレーションしたものです．LEDの電流は7.4mAから32.5mAまで大きく変動しています．

図4　図3でリチウム・イオン電池の電圧が変動したときの，LED電流のシミュレーション結果
LED電流は，7.4mAから32.5mAまで大きく変動している

●LT3465を使用した白色LEDの点灯回路
　図5は，LEDドライバICのLT3465を使用したLED点灯回路をシミュレーションするための回路です．

図5　LEDドライバICのLT3465を使用したLED点灯回路
LEDが直列接続されているため，すべてのLED電流は同じになる．

　4個のLEDが直列に接続されています．LEDを直列接続することにより，LEDの順方向電圧がばらついても，すべてのLEDの電流は同じになります．
　LT3465は，昇圧回路として動作し，VOUT端子には昇圧された電圧が出力されます．そして，FB端子の電圧(V_FB)が0.2Vとなるよう，VOUT端子の電圧をコントロールします．
　FB端子とGND間に接続された抵抗(R1)にLED電流(I_LED)が流れるため，I_LEDは式2で表されます．図5の定数ではI_LEDは20mAとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　図6は，図5の回路でリチウム・イオン電池の電圧(V_Li)を，3.2Vと4.1Vに変化させたときのLED電流のシミュレーション結果です．

図6　リチウム・イオン電池の電圧を変化させたときのLED電流のシミュレーション結果
V_Liが3.2Vのときも4.1Vのときも，LED電流は約19.3mAとなっている

　V_Liが3.2Vのときも4.1Vのときも，LED電流は約19.3mAとなっており，リチウム・イオン電池の電圧が変動しても，LED電流は一定となっています．

●LEDの個数を変えたときの動作
　図7は，LT3465を使用した白色LED点灯回路です．LEDの個数を変えたときの動作をシミュレーションします．

図7　LEDの個数を変えたときの動作をシミュレーションするための回路
SW₂をON/OFFさせ，LED4個点灯ときと，LED3個点灯時をシミュレーションする．

　SW₂がOFFでLEDを4個点灯させたときと，SW₂がONで，LEDを3個点灯させたときの状態をシミュレーションします．LEDの電圧をV_LED，個数をnとし，FB端子の電圧をV_FBとすると，VOUT端子の電圧(V_OUTn)は式3で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　LT3465は，V_FBが0.2Vになるよう，SW端子のオン・デューティ比を制御することで，式3が成立するよう，V_OUTをコントロールします．式3を変形してLEDの電圧を求めると，式4になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

　そして「n=4」のときのOUT端子の電圧をV_OUT4とすると「n=3」のときのOUT端子の電圧V_OUT3は式5で計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・・(5)

　図8が図7の回路で，LEDの個数を変えたときの動作のシミュレーション結果です．

図8　図7の回路で，LEDの個数を変えたときの動作のシミュレーション結果
LEDの個数を変えてもLED電流は変わらず，VOUT端子の電圧は個数に対応して変化

　上段がVOUT端子の電圧で，下段がLED電流です．それぞれ，青線が4個のLEDを点灯させたときの特性で，赤線がLEDを3個を点灯させたときの特性です．LEDの個数を変えてもLED電流は19.3mAで変わりません．LEDを4個点灯させたときのVOUT端子の電圧は13.3Vで，3個点灯させたときのVOUT端子の電圧は10.0Vとなっています．

●LT3465の調光機能をシミュレーションする
　LT3465には，LEDの明るさをコントロールするための調光機能があります．図9はこの調光機能をシミュレーションするための回路です．CTRL端子の電圧を2Vから0Vまで変化させ，LED電流の変化をシミュレーションします．

図9　LT3465の調光機能をシミュレーションする回路
CTRL端子の電圧を2Vから0Vまで変化させ，LED電流の変化をシミュレーションする．

　図10が図9のLT3465の調光機能のシミュレーション結果です．

図10　LT3465の調光機能のシミュレーション結果
CTRL端子の電圧が1V以下になると，LED電流が減少していく．

　上段がCTRL端子の電圧で，下段がLED電流です．CTRL端子の電圧が1V以下になると，CTRL端子の電圧低下に合わせてLED電流が減少しています．このように，CTRL端子の電圧によってLEDの明るさをコントロールすることができます．
　以上，LEDドライバICのLT3465の動作について解説しました．LT3465の詳しい使い方については，LT3465の仕様書を参照してください．

◆参考・引用*文献
アナログ・デバイセズ：LT3465のデータシート

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_007.zip

●データ・ファイル内容
LED_VI.asc.asc：図2をシミュレーションするための回路
4LED_R.asc：図3の回路
LT3465_4LED.asc：図5の回路
LT3465_4LED_3LED.asc：図7の回路
LT3465_4LED_3LED.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LT3465_4LED_dimm.asc：図7の回路
LT3465_4LED_dimm.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル