工业电源指示用LED驱动器

摘要

本文介绍了一种简单小巧的解决方案，用于驱动LED来在系统通电/断电的情况下提供视觉反馈。该电路由电阻和小型芯片组成，尽管该芯片原本并非用于此目的，但它取代了传统解决方案中的众多元器件。该电路不仅独立运行且功耗低，同时具备出色的抗误接线稳定性，非常适合用于工业及类似系统。

简介

工业控制系统普遍采用24 V DC作为现场电源电压，通常由设备（例如控制器主机以及I/O和通信模块）上的LED信号指示电源电压的有无。对于可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)控制器、电源单元、传感器和执行器等工业系统/子系统而言，LED电源指示灯有助于缩短安装、维护和停机时间。当满足规定的条件时，例如电压处于所需的工作电源电压范围内，电源LED应该亮起。尽管概念上很简单，但实际实现却颇具挑战。电源LED需要带有滞回的电压比较器，能够自供电，并且可以持续驱动LED。

此类电路的其他要求包括：

• 低功耗

• 当电源电压低于最低工作电压时，LED灯必须关闭

• 光强度应与电源电压无关

• 电路应能承受过电压

• 抗误接线稳定性出色，例如可以应对极性接反情况下遇到的负电压

电路虽然简单，但其性能往往会受到元器件特性、温度变化以及电压波动的显著影响。

背景知识

该LED驱动电路基于对一款工业数字输入芯片的重新利用，实现了与其最初预期应用不同的功能。工业输入常见于工业控制系统中，基于24 V逻辑，具有明确规定的输入电流/电压特性和定义的输入阈值电压。对于常见的3型工业输入，在最大输入高阈值电压11 V时，灌电流输入（有时也称为p型输入）的下拉电流要求大于2.0 mA。为了尽量降低功耗，如今的数字输入电路会限制输入电流，将其严格调节到略高于2.0 mA限值的水平。

构想

注意到2.0 mA与常见的LED驱动电流一致，并且工业数字输入具有明确定义的开关阈值，我们不禁要问：像MAX22191这样的单通道数字输入芯片是否适合电源监控和LED驱动应用？这款工业输入器件设计用于通过其OUT引脚驱动光电隔离器。图1为建议的应用电路。REXT是一个电流设置电阻，能够在2.0 mA至2.6 mA范围内调节OUT电流。

图1.电源监控LED驱动器

内部电流源的容差为±12.5％（涵盖温度、输入电压和器件间的差异），从而确保了低功耗特性，并且光强度随电源电压的变化几乎可以忽略不计。电流源额定OUT输出顺从电压为5.5 V，因此能驱动大多数现代LED。该器件的电源电流为110 µA（典型值），进一步保证了整体解决方案的低功耗表现。

如图2所示，LED电流在9 V（典型值）时迅速导通，在8 V（典型值）时关断，两者之间存在1 V的滞回电压。具体的最大导通和最小关断阈值电压，请参阅MAX22191数据手册。如果需要更高的阈值电压，可以将一个电阻RIN与IN输入串联，如图3所示。RIN值的计算公式为：RIN = (阈值电压增量)/IIN。

如图2所示，在导通状态下，LED电流不随输入电压的变化而变化。这与使用简单的双极/MOS晶体管驱动LED形成对比，由于晶体管的厄利电压，其电流-电压依赖性明显更大。

图2.LED电流与电源电压的关系

LED控制

针对需要在逻辑控制下打开/关闭LED的应用场景，可以方便地使用TEST输入，如图3所示。此电路支持实现一些辅助功能，例如上电延迟、闪烁或其他状态反馈。

图3.具有开/关控制和更高阈值电压的电路

稳健性

该解决方案的额定工作温度范围为-40℃至+125℃。IN电源电压能够耐受-70 V至+60 V的宽电压范围，这为浪涌保护和应对误接线提供了充足的余地。在反向连接的情况下，如果输入电压为负，电路的输入电流将降低至1 µA。

结论

MAX22191简化了LED电源指示应用的设计，其SOT23封装和低功耗电流设置进一步缩小了电阻解决方案的尺寸。

作者简介

Reinhardt Wagner是ADI公司的杰出工程师，工作地点在德国慕尼黑。他最初就职于Maxim Integrated，现在就职于ADI公司的工业自动化部门。在过去的21年里，他主要负责通信和输入/输出器件领域的新型工业芯片产品定义工作，涉及IO-Link、快速数字I/O、Beyond-the Rails™模拟开关和数字隔离等产品。