MOSFET para cambiar un solo LED

Intento diseñar una forma rentable pero "razonablemente diseñada" de controlar un solo LED blanco con un microcontrolador con las siguientes "especificaciones":

  • Para el LED blanco único, no debería ser necesario un convertidor de impulso adicional (como nota al margen: descubrí que la mayoría de los convertidores de impulso LED simples solo funcionan con> = 2 LED en serie, por lo que incluso si usara un convertidor de impulso necesitaría usar dos LED incluso si solo necesito uno)
  • El voltaje de suministro es nominal de 3,3 V, pero se puede configurar más alto a aproximadamente 3,6 V
  • El único LED blanco debe funcionar con una corriente bastante pequeña pero fija, digamos entre 3 y 5 mA (a través de diferentes cargas de PCB)
  • El LED blanco está disponible en grupos de voltaje directo agrupados y un grupo limita VF entre 2,8 y 3,2 voltios (el rango no agrupado es de hasta 3,6 V, donde no veo forma de lograr lo que quiero sin un convertidor elevador dedicado)
  • Debido a varias razones, preferiría no conducir/hundir la corriente del LED directamente desde el pin uC, ya que incluso si 5 mA son pequeños, la conducción da como resultado un "desplazamiento de tierra" en el pin uC que podría perturbar otro pin).

Esto parece bastante simple, pero es un desafío para mí porque después de algunos cálculos numéricos, parece que se me escapa algo.

Asumo la forma más simple de conducir un LED con corriente constante, es decir, una resistencia en serie, el LED y un MOSFET de umbral bajo como interruptor de lado bajo. Como ejemplo, asumo el uso de https://www.mouser.com/datasheet/2/302/NX3008NBKW-842194.pdf

Para lograr una corriente de led constante y específica (supongo que 4 mA como objetivo), creo que necesito usar el MOSET que opera en saturación (la corriente no depende de VDS pero se puede configurar a través de VGS y asumo que el VGS establecido por el uC es constante).

Supongo que el uC puede conducir la puerta del MOSFET con 3.0V. Para operar en saturación necesito mantener VDS > (VGS - Vth). Si entiendo correctamente, en este caso, en realidad quiero que el Vgs,th mínimo sea bastante alto, de modo que se cumpla la condición de saturación y el voltaje VDS (caída de voltaje en el MOSFET) aún sea bajo.

De acuerdo con la hoja de datos, veo un Vth,max = 1.1V y un Vth,min de aproximadamente 0.6V, así que tomemos 0.5V. Significaría que VDS debe ser mayor que VGS-Vth = 3.0-0.5 = 2.5V. Y ahí empieza la crisis. Incluso con un voltaje directo agrupado entre 2,8 y 3,2 V, eso significaría que necesito un VDD mínimo de 2,5 + 3,2 V = 5,7 V, ¿ni siquiera se tiene en cuenta una resistencia en serie para el LED?

Obviamente debe haber algo mal en mi forma de pensar. Estoy bastante seguro de haber visto LED azules individuales (que, según mi conocimiento, son iguales a los LED blancos en términos de voltaje directo) con la topología descrita. ¿Es incorrecta mi suposición de que necesito el MOSFET en saturación para establecer una corriente constante? Manejar un solo LED con unos pocos mA no puede ser tan complicado, ¿verdad? ;-)

Si su BoM puede manejarlo, hay disponibles controladores LED de corriente programable constante que funcionan con un margen de tan solo 40 mV. Si ese es un enfoque que le interesa, podría escribirlo.
@AnindoGhosh: he usado un controlador de LED (convertidor de refuerzo) antes, pero desafortunadamente, el que usé solo podía controlar de 2 a 4 LED (como escribí anteriormente) y ni un solo LED. No estoy seguro de qué causa el mínimo de 2 LED. Así que sí, estaría interesado en su sugerencia. Pensé en la solución MOSFET porque muchos circuitos integrados de controladores son partes "especiales" que dejan de estar disponibles de una manera bastante impredecible. Así que busco una solución que probablemente también esté disponible en algunos años a partir de ahora =)
@AnindoGhosh: también identifiqué esta parte: assets.nexperia.com/documents/data-sheet/NCR320U_NCR321U.pdf parece tener un margen de aproximadamente 1,4 V. Incluso usando esta parte, necesitaría al menos 1,4 V + 3,2 V = 4,6 V. ¿Quizás simplemente no es alcanzable lo que estoy buscando? De alguna manera tengo dudas... :D
Nos ayudaría (a usted y a nosotros) si nos dijera lo que realmente está tratando de lograr. A menos que haya una muy buena razón para usar un LED con las especificaciones que usted proporcione, habrá una mejor disponible. Conozco los LED blancos con una excelente eficiencia en las corrientes que menciona con un Vf de 2,9 V típico y una extensión de aproximadamente 0,05 V para el 95 % o más de la producción y no mucho más para todo el lote. Los que tengo en mente son de 4 pines a través del orificio, pero el fabricante (Nichia) tendrá muchos otros en SMD que se adapten. (He usado más de 100 000 de los LED anteriores. Tal vez 170 l/W a 5 mA.
Interesante... no estaba al tanto del hecho de que el paquete tiene un impacto tan alto. Tengo algunos led osram de la serie y1sg ya que necesito una opción lateral de paquete pequeño para retroiluminación.
@AnindoGhosh: ¿Puede tal vez elaborar una solución con poco espacio para la cabeza?
@Junius Consulte Texas Instruments LP5522 ( ti.com/lit/ds/symlink/lp5522.pdf ). A una corriente de excitación de 5 mA, Vhr está en el rango de 40 mV. Además, impulsa un solo LED, lo que soluciona su otra preocupación.
@AnindoGhosh: ¡Buena captura!

Respuestas (1)

¿Por qué no usar una bomba de carga?

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V1 es una fuente de onda cuadrada, por ejemplo, la salida de un PWM, puede ser amortiguada por una puerta lógica.

"X1" es un diodo dual, asegúrese de que los dos Vf en serie reduzcan el voltaje de salida lo suficiente para que el LED se apague cuando sea necesario.

Este es un controlador de corriente algo constante. Si R2 y C2 son lo suficientemente grandes como para suavizar bien la corriente del LED, entonces tendrá una salida de voltaje constante en VCC menos los dos diodos Vf. En este caso, R2 establece la corriente a través de la dispersión LED Vf.

Sin embargo, si eliminamos C2 y configuramos R2 para que C1 se descargue en cada ciclo, entonces cada ciclo bombea una cantidad de carga igual a C1 veces (Vcc menos una caída de diodo). La frecuencia de los tiempos de carga es actual, por lo que hace una unidad de corriente constante. Es un poco más eficiente que el anterior, pero el LED parpadeará a la frecuencia PWM.

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¿Podría por favor confirmar que mi entendimiento es correcto? Suponga que V1 = 3V. Cuando se refiere a la segunda variante, funciona así: cuando V1 tiene 0 voltios, C1 se carga desde 3,3 V hasta V1 hasta aproximadamente 3,3 V menos la caída de voltaje del diodo. cuando se enciende V1, el LED ve el voltaje de ((3.3 - Vd) + 3V) - Vd. ¿Está bien? Todavía no he analizado los números, pero supongo que la eficiencia es muy mala. ;-)
Si eso es correcto. La eficiencia debe ser de alrededor del 50%, lo que no debería importar porque no mencionó la eficiencia en la pregunta.
Acepto tu respuesta porque proporciona una solución fácil al problema. Incluso si no responde cómo resolver el problema usando un FET, si es posible con el margen de maniobra dado.