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Pilotare Al Meglio i Led (II)

Pilotare Al Meglio i Led

di Franco Musiari [ DESIGN IN ]
Regolatori Buck
Pilotare i LED con i regolatori buck: È la topologia più semplice – vedi figura 5 - e può rimpiazzare direttamente i regolatori lineari descritti in precedenza.

Il circuito di controllo pilota un transistore alternativamente in conduzione ed in interdizione. Durante il periodo di conduzione la corrente fluisce da VIN verso il diodo (linea tratteggiata verde di figura 5) e nell’induttanza viene immagazzinata energia legata, inizialmente, al delta tra VIN e la caduta su LED, transistor ed RS. Al crescere dell’energia immagazzinata nel circuito magnetico diminuisce la resistenza al passaggio della corrente che cresce fino a quando il controllore, che la misura su RS, non pilota il transistore all’interdizione.
A questo punto l’energia immagazzinata nell’induttanza mantiene il flusso di corrente attraverso il LED chiudendo il circuito sul diodo D1(linea tratteggiata rossa di figura 5) andando riducendosi fino al momento in cui il transistore viene nuovamente pilotato in conduzione ed il ciclo si ripete. Il valore massimo della corrente è determinato dalla resistenza RS e dalla soglia impostata nel controllore. Il valore minimo è invece determinato dal duty cycle del ciclo ON/OFF del transistore.
Perchè regolatori dedicati ai LED?
La risposta viene più facile con un esempio diretto riferito alla topologia dei regolatori Buck

ma valido in generale. In figura 6 viene riportato il circuito applicativo di un regolatore Buck di National Semiconductor – l’ LM25007 – regolatore Buck in grado di operare con tensioni di ingresso da 9 a 42 V che potrebbe essere facilmente adattato, con le modifiche riportate in figura, ad operare per pilotare un LED (od una stringa di LED). Il regolatore opera per mantenere la tensione sul pin di feedback FB al valore di 2,5 V e, volendo ottenere una corrente nel LED di 350 mA, sarebbe sufficiente porre R4 pari a 2,5V/0,35A  7 . L’errore introdotto non considerando la corrente di ingresso al pin FB è trascurabile vista l’alta impedenza dello stesso. Ma questa stessa resistenza è attraversata dalla corrente nel LED dissipando pertanto una potenza pari a R • I2 = 7 • 0,352  0,86 W (quasi comparabile con la potenza di ogni singolo LED della stringa). E la dissipazione su R4 diverrebbe ancora più elevata all’aumentare della corrente richiesta dal LED.

L’ LM3402, sempre di National Semiconductor – Regolatore Buck a corrente costante fino a 0,5 A per il pilotaggio di LED – ha un circuito applicativo praticamente equivalente a quello mostrato in figura 6 con la differenza sostanziale che la tensione di feedback viene ridotta a 200 mV (0,2 V). Per ottenere una corrente nel LED sempre di 350 mA basta, in questo caso, una resistenza di 0,2V/0,35A  0,6  che porterà ad una dissipazione di soli 73 mW. Una riduzione del 91% rispetto al caso precedente con conseguente drastico aumento dell’efficienza energetica.
Regolatori Boost
Se la tensione di alimentazione disponibile è inferiore alla tensione diretta totale VF diventa necessario l’uso di un regolatore Boost che è in grado di elevare la tensione di uscita. La topologia – vedi figura 7 – è leggermente più complessa soprattutto per la necessità di un doppio controllo: e della corrente sui LED e della corrente di carica dell’induttanza sul ramo di ingresso della alimentazione. Va sottolineato che questa topologia non è in grado, nella sua configurazione minima, di operare nel caso in cui la tensione di ingresso superi la VF totale della catena di LED in serie. In questo caso la corrente fluirebbe incontrollata dall’ingresso verso i LED con il loro probabile danneggiamento.
Durante il periodo di conduzione del transistor la corrente che fluisce dall’ingresso VIN verso massa carica l’induttanza fino ad un valore massimo di corrente controllato attraverso la resistenza RI. Il diodo D1 impedisce che la carica del condensatore CO, durante il periodo di conduzione del transistore, venga cortocircuitata verso massa ma alimenti la catena di LED. Al momento dell’interdizione del transistore l’energia immagazzinata nella induttanza viene riversata, attraverso il diodo D1, sia sulla catena di LED che sul condensatore di uscita CO. Induttanza e CO giocano il ruolo principale come mezzi di carica e trasferimento dell’energia.

Regolatori SEPIC
SEPIC, ovvero “single ended primary inductance converter”, è una combinazione delle topologie Buck e Boost accoppiate tra di loro da un condensatore – CC di figura 8 – che è in parte il punto debole della catena dovendo gestire tutta l’energia che deve essere convertita per un pilotaggio corretto dei LED. La necessità di due induttanze viene spesso citata tra i grossi handicap della topologia che però possono essere accoppiate sullo stesso nucleo consentendo un risparmio di spazio. La topologia offre di converso la possibilità di avere una corrente di ingresso senza brusche variazioni cosa che riduce le emissioni EMI in modo determinante con la possibilità di semplificare i filtri di ingresso.
Questo tipo di regolatore è utile quando si possono verificare situazioni in cui la tensione di uscita non è sempre superiore alla tensione di ingresso VIN. Per esempio una singola cella agli ioni di Litio (Li-Ion) ha una tensione che varia tra 2,5 e 4,2V a seconda del suo stato di carica. Sull’altro lato l’uscita può richiedere solo i 3 o 4 Volt di un LED di media potenza. Un altro esempio: quando il numero di LED e la tensione di alimentazione cambiano da una piattaforma ad un’altra ma può essere vantaggioso l’uso di un circuito unico valido per tutte le piattaforme superando lo svantaggio del costo superiore legato ai componenti aggiuntivi.

SEPIC

Alla accensione CC si carica al valore di VIN; quando il transistore entra in conduzione collega l’armatura positiva di CC a massa e la corrente fluisce attraverso L2 (linea tratteggiata verde in figura 8) caricandola mentre contemporaneamente anche L1 viene caricata. All’interdizione del transistore la carica energetica accumulata in L2 si scarica attraverso D1 (linea tratteggiata rossa di figura) mentre quella accumulata in L1 provvede alla ricarica di CC al valore di VIN; ed il ciclo si ripete. Come si intuisce la corrente assorbita dall’ingresso VIN non è più impulsiva, come nelle altre topologie, ma oscilla intorno ad un valore medio. La tensione di uscita è approssimativamente pari a VIN • [ton/(1-ton)] dove ton è il tempo di conduzione del transistore. La flessibilità offerta da questa topologia è però accompagnata da una minore efficienza legata sia alle perdite sul diodo (schottky), soprattutto se la tensione di uscita è relativamente bassa, e alle perdite sulla resistenza serie di L2. Inoltre l’efficienza tende a diminuire al crescere della tensione di ingresso. In figura 8 è riportata una delle tante possibili configurazioni di questa topologia.
Regolatore Boost/Buck
La soluzione più stabile e sicura per pilotare LED in situazione ambigue è certamente la combinazione di un regolatore Boost seguito da un Buck collegato in cascata come in figura 9. Questo crea il minor numero di problemi nella ottimizzazione circuitale e nella generazione di rumore EMI. Inoltre il regolatore Boost, il primo stadio, può provvedere ad alimentare diversi stadi Buck in parallelo per il pilotaggio di stringhe multiple di LED. Anche per questa configurazione si ha però l’inconveniente di una minore efficienza energetica rispetto alle soluzioni a stadio singolo.

Boos/Buck Regulator

Il dimming
Come detto in apertura l’intensità della luce emessa dal LED è proporzionale alla corrente che lo attraversa. Partendo da questa considerazione si potrebbe pensare che regolando la corrente – aumentandone o diminuendone il livello – sia possibile ottenere il controllo della luminosità emessa (dimming). La cosa è sicuramente vera ma soffre di alcuni importanti inconvenienti:
• il variare dell’intensità della corrente causa anche, nei LED monocromatici, uno spostamento della lunghezza d’onda dominante,
• come viene mostrato in figura 10 il variare della corrente causa, nei LED bianchi, uno spostamento della “temperatura di colore correlata” (Correlated Color Temperature,
• senza dimenticare che diventa molto più difficoltoso ottimizzare l’efficienza del circuito di pilotaggio

Diode

Per i motivi citati la scelta ottimale per il dimming è un pilotaggio a corrente costante modulato in PWM (Pulse Width Modulation) come mostrato in figura 11. Se la frequenza del PWM viene mantenuta superiore od uguale a 120 Hz la luminosità percepita dall’occhio umano (che integra il segnale percepito nel tempo) sarà proporzionale al duty cycle D = tON/T. Proprio a questo scopo la gran parte dell’offerta commerciale di regolatori per LED, anche delle diverse topologie analizzate brevemente, prevedono tipicamente la possibilità di essere pilotate con un segnale PWM che modula la corrente di pilotaggio in modo coerente.

Dimmning

Il rumore elettrico
Tutti i regolatori switching generano, per effetto delle commutazioni e delle transizioni rapide delle intensità di corrente, rumore elettrico noto come EMI (Electro Magnetic Interference). I comuni convertitori DC/DC che controllano ed operano su livelli di tensione offrono normalmente segnali di uscita e di ingresso ben filtrati ottenendo questo risultato grazie all’uso di grossi condensatori di filtro, sia sulle uscite che sugli ingressi, e portando le frequenze di commutazione a livelli sempre più elevati.
Gli alimentatori per LED operano regolando non le tensioni ma le correnti e grosse capacità di filtro creerebbero un rallentamento nella reattività del circuito ai cambiamenti di tensione rendendo la corrente generata più soggetta alle variazioni della tensione di alimentazione.
Come già detto prima i regolatori Buck sono semplici, efficienti energeticamente e dal punto di vista del rapporto costo/prestazioni ma possono generare significativi problemi sul fronte delle emissioni EMI quando siano applicati nella alimentazione di LED se non vengono dimensionati opportunamente e se il layout del circuito non è eseguito seguendo regole precise. Indicazioni di massima per la minima emissione EMI:
• basse frequenze di commutazione,
• collegamenti corti e loop di corrente ai LED il più breve possibile,
• diodi di feedback molto veloci,
• transistori di commutazioni al centro del circuito,
• collegamenti alla linea di alimentazione e filtraggio relativo accurati.
E, se appena potete, usate un regolatore Buck. E’ l’unico che non richiede un condensatore sull’uscita!
Figura 5 • Regolatore Buck
Figura 6 • Un regolatore Buck canonico adattato al pilotaggio di LED.
Figura 7 • Regolatore Boost.
Figura 8 • Regolatore SEPIC (single ended primary inductance converter).
Figura 9 • Regolatore Boost/Buck.
Figura 10 • Caratteristiche cromatiche di emissione del diodo NSCW215 al variare della corrente diretta (cortesia Nichia).
Figura 11 • Per il dimming dei LED è consigliato un pilotaggio a corrente costante con modulazione PWM (Pulse Width Modulation).
Documenti di riferimento:
1) Seminar: LED Applications and Driving Techniques - Chris Richardson; National Semiconductor,
2) Power supply/LED drivers – application note; Melexis ,
3) Controlling luminous intensity of LEDs – application note; Nichia,
4) Electrical Porperties of GaN LEDs & Parallel Connections –application note Nichia,
BOX
Produttori di driver per LED
Advanced Analogic Technologies Inc. www.analogictech.com
Allegro Microsystem INC. http://www.allegromicro.com
Austriamicrosystem www.austriamicrosystems.com
Exar Corporation www.exar.com
Intersil Corporation www.intersil.com
Fairchild Semiconductor Corporation www.fairchildsemi.com
Infineon Technologies AG www.infineon.com
IXYS http://www.claremicronix.com/products.html
LEDdynamics www.leddynamics.com
Linear Technology Corporation www.linear.com
Maxim Integrated Products www.maxim-ic.com
Melexis Microelectronic Systems www.melexis.com
National Semiconductor Corporation www.national.com
On Semiconductor www.onsemi.com
Power Integrations Incorporated www.powerint.com
ST Microelectronics www.st.com
Supertex Incorporated www.supertex.com
Texas Instruments Incorporated www.ti.com
Toko Incorporated www.toko.com
Zetex Semiconductors www.zetex.com

Repost: 11 Apr 2008

 

 

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