LEDドライバが照明アプリケーションにおいて果たす重要な役割

白熱電球やその他の古いタイプの電球は、電気を使用してフィラメントやガスを加熱し、その熱で光を放射して発光します。一方、発光ダイオード（LED）は、特殊な半導体材料から作られ、通過する電気を直接光に変換する現象であるエレクトロルミネッセンスを利用して発光します。

各LED材料は、特定の電圧と電流が印加されると、狭帯域の光を放射します。これらの値から外れると、LEDが発光しなくなったり、色強度が変わる可能性があります。

設計者は通常、LEDの明るさを制御するために、定電流低減（CCR）またはパルス幅変調（PWM）のいずれかを使用します。どちらも光出力を調整することを目的としていますが、根本的に異なる方式で動作し、それぞれには次のような独自の設計上のトレードオフがあります。

• CCR（アナログ調光とも呼ばれる）は、LEDに流れる電流を減少させる方式です。これはシンプルで低ノイズなアプローチであり、フリッカを発生させないため、基本的なアプリケーションに適しています。ただし、電流を減少させることは、LEDの色をわずかに変化させ、特に非常に低い光量レベルで調光範囲を制限する可能性があります。
• PWMは、各パルス中に定電流を維持しながらLEDを高速にオン/オフ切り替えることで、LEDを調光します。この技術は色の安定性を維持し、はるかに広い調光範囲を実現し、1%未満まで調光可能です。この方式は、調光可能な照明やディスプレイに適しています。トレードオフとして、PWMはスイッチング周波数が十分高くない場合、電磁波干渉（EMI）や目に見えるフリッカを引き起こす可能性がある点です。設計者は、これらの要因を慎重にバランスを取る必要があります。

PWMは、より複雑なドライバやEMIフィルタリングの注意が必要ですが、CCRは、色精度や超低輝度調光が求められるアプリケーションでは不十分な可能性があります。一部のケースでは、CCRとPWMを組み合わせたハイブリッド方式が、両方の長所を兼ね備えた最適な解決策となる場合があります。

設計上の考慮事項

設計者は、スマートな設計を選択することにより、CCRまたはPWM調光方式の制約を克服することができます。CCRの場合、設計者は広範な電流範囲で安定した色再現性能を有するLEDを選択し、ガンマ補正または対数調光曲線を適用することで、人間の明るさの変化の認識に調光応答を合わせるように調整できます。これにより、より滑らかで自然な移行が実現します。ドライバの適切な選択と熱管理により、追加の回路なしで色安定性を維持し、調光性能を延ばすことも可能です。

PWM調光の場合、主な課題はフリッカ、電磁干渉（EMI）、および設計の複雑さです。これらの課題は、高周波数PWM（通常20 kHzから25 kHz以上）を使用することで解決できます。これにより、目に見えるフリッカを防ぎ、オーディオやカメラシステムへの干渉を最小限に抑えることができます。EMIは、回路基板を慎重に設計し、フィルタを活用し、調整可能な信号レートなどの機能を備えたLEDドライバを選択することで、効果的に制御できます。内蔵PWM機能を搭載したドライバは、信号を内部で生成するため、ドライバ外部での精密なタイミング管理が不要となり、プロセスを簡素化します。

CCRは、医療施設、研究室、または感度の高い電子機器が使用される環境など、EMIを最小限に抑える必要があるアプリケーションにおいて、よく使用されています。このオプションは、限定された範囲内で信頼性の高い滑らかでフリッカフリーの調光を実現します。その相対的なシンプルさは、特にシンプルさとコストが最優先される住宅、レストラン、大規模な施設などの一般照明に適しています。

PWMは、高い色再現性と広範な調光範囲が求められるアプリケーション、たとえば舞台照明や非常に繊細な照明制御が必要な環境において、よく使用されています。PWMドライバに信号源を内蔵した製品は、タイミング制御を内部で処理することで設計プロセスをさらに簡素化し、設計の複雑さを軽減します。

PWM方式を選択する場合

マルチチャネル制御、色の安定性、および自動車用信頼性が求められるアプリケーションでは、PWM方式が適しています。

良い例として、 Diodes Inc.のAL5887Q高度36チャンネル車載用LEDドライバがあります。この製品はデュアルモード機能を備えています。これは、定電流のデューティサイクルを100%～3%まで変調することで、深いPWM調光を実現します。ただし、3%未満では、アナログ調光モードに切り替わり、従来のアナログCCR回路ではなく、プログラム可能なデジタル制御により同等の機能を実現します。

内蔵の16MHz発振器を搭載したAL5887Qは、外部クロックを不要とし、基板設計とレイアウトの簡素化、プリント基板の小型化、および部品表（BOM）のコスト削減を実現します。12ビットPWMアドレス可能レジスタと30kHz内部PW発生器を採用し、カラーミキシングの向上とノイズ低減を実現しています。

設計者は、この製品を次のようなアプリケーションに活用できます。

• 自動車の室内照明と室外照明
• インフォテイメントディスプレイ
• ステータスインジケータ灯
• タッチパネルとLCDディスプレイのバックライト

これらのアプリケーションでは、LEDの色と明るさの制御が必須であり、AL5887Qドライバ（図1）がこれらの主要な機能を提供します。

図1：Diodes Inc.のAL5887Q LEDドライバは、自動車用ディスプレイと照明アプリケーションを簡素化します。（画像提供：Diodes Inc.）

RGB LEDの色制御

RGB LEDの色制御は、LEDパッケージ内に含まれる3つの異なる色のダイに流れる電流を調整することで実現されます（図2）。要するに、明るい黄色の色を再現するためには、赤と緑のダイオードをそれぞれ指定された最大値まで駆動し、青のLEDを薄暗くしたり消灯させたりします。同様に、個々のLEDの明るさを調整することで、幅広い色を再現することができます。

図2：RGB LEDの色を制御するには、アプリケーションはLEDパッケージ内の3つの異なる色のダイへの電流の流れを調整する必要があります。（画像提供：Broadcom）

一般的な照明アプリケーションのアーキテクチャ

照明アプリケーションは、数百個のLEDとその他の部品から構成され、それらすべてが単一の小型コンピュータまたはマイクロコントローラ上で実行されるプログラムによって制御されます。

AL5887Qのピン配置は図3に示されています。アプリケーションには複数のドライバが含まれる場合があります。各ドライバは、OUT0～OUT35までの専用ピンを使用して、最大12個のRGB LEDまたは最大36個の個別のLEDに接続できます。

図3：AL5887Qのピン配置図。最大12個のRGB LEDまたは最大36個の個別のLEDに接続可能で、OUT0～OUT35の専用ピンが割り当てられています。（画像提供：Diodes Inc.）

AL5887Qが照明アプリケーション用のLEDドライバとして優れた性能を発揮する理由

AL5887Qは、チャンネルを組み合わせて使用でき、一部のチャンネルはカラーミキシング用に、他のチャンネルはステータスインジケータや単色LEDアプリケーションなどに使用できます。各チャンネルは、均一な明るさと色を供給するプログラム可能な定電流源として機能します。これは、小売、自動車、または建築照明など、不均一さが容易に気づかれる分野において重要な考慮事項です。

エラー検出

AL5887Qは、LEDの調光とミキシング機能に加え、短絡などのさまざまなエラー状態を検出し、内部の「フラグ」レジスタに記録します。AL5887Qは、FAULTピンを使用してマイクロコントローラに問題が発生したことを通知します。LEDドライバのエラー検出メカニズムにより、マイクロコントローラ上で実行中のアプリケーションは問題に反応し、修理のための診断情報を提供します。

アプリケーション開発者の簡素化

AL5887Qは、マイクロコントローラが制御する際に発生するオーバーヘッドの一部を削減します。たとえば、輝度と色のマッピングを簡素化することで、アプリケーション開発者の作業を簡素化します。これにより、マイクロコントローラ上で実行されるプログラムを簡素化し、開発時間を短縮し、エラーの発生源をなくすことでシステムをより堅牢にします。

バンク機能

一部のLEDアニメーション効果（点滅や「呼吸」効果（ゆっくりとした点滅のようなもの）など）は、複数のLEDで同時に動作する処理を必要とします。マイクロコントローラのプログラムが各LEDを個別に識別して同じコマンドを繰り返し送信する代わりに、AL5887QはLEDを「バンク」にグループ化するように設定できます。そのグループ全体が単一のコマンドに従って動作します。

I²CおよびSPI対応

多くの周辺機器と設定を持つ高度なLEDアプリケーションでは、状況に応じて動作を検出および変更する柔軟な論理回路が必要です。その場合、2本のワイヤを使用して数十の周辺機器を検出および通信するI²Cを選択する可能性があります。

一方、固定設定とシンプルな論理を持つ低レベルアプリケーションでは、より多くのワイヤを使用するものの、周辺機器と直接通信するSPIで簡素化できます。

AL5887Qは、両方のアプリケーションアーキテクチャに対応できます。I²CまたはSPIの通信方式のいずれかをサポートします。「インターフェース選択」（INT_SEL）ピンにより、マイクロコントローラアプリケーションは、起動時にどちらの通信方式を使用するか、ドライバ回路を設定できます。

省電力モード

LEDが消灯の場合、AL5887Qは自動的に省電力モードに入り、消費電流を25マイクロアンペアに抑えます。マイクロコントローラから何らかのコマンドが送信されると、通常モードに戻ります。この機能は、設定コマンドで無効にできます。

まとめ

AL5887Qの12ビットPWM制御機能は、精度と柔軟性を備えており、高度なLED照明アプリケーションにおいて多用途で信頼性の高い選択肢となります。小型設計と統合された機能により、追加コンポーネントを削減し、総コストの低減と、開発の簡素化を実現します。