LED bianchi: meglio un boost converter o un charge pump?

In questo articolo analizzeremo due principali regolatori di carica per LED: un convertitore di tipo boost e uno charge-pump.

convertitori DC/DC sono dispositivi che accettano una tensione di ingresso continua e producono una tensione di uscita, tipicamente di livello differente rispetto a quella di ingresso. I convertitori DC/DC sono comunemente usati in applicazioni che richiedono una potenza continua regolata, come computer, strumenti medici, dispositivi LED, dispositivi televisivi ecc... I sistemi alimentati a batterie spesso sono costituiti da molte celle poste in serie per ottenere tensioni più elevate. Non è sempre possibile, per mancanza di spazio o per questioni di peso, mettere in serie tante batterie soprattutto nelle applicazioni dove è richiesta alta tensione. I convertitori boost possono aumentare la tensione e ridurre di conseguenza il numero di celle necessarie a questo scopo. Due tipiche applicazioni a batterie che usano i convertitori boost sono i veicoli elettrici ibridi (HEV) e i sistemi di illuminazione. La Toyota Prius contiene un motore che usa tensioni di circa 500 V. Senza un convertitore boost, la Prius necessiterebbe di 417 batterie per alimentare il suo motore elettrico. In realtà la Prius usa solo 168 batterie e quindi eleva la tensione delle batterie da 202 V a 500 V. I convertitori boost alimentano anche dispositivi di scala molto più piccola, come i sistemi di illuminazione portatili. Un LED bianco richiede tipicamente 3.3V per emettere luce, e un convertitore boost può innalzare la tensione di una singola cella alcalina da 1.5 V per alimentare la lampada. I convertitori boost possono produrre anche tensioni più elevate per far funzionare i tubi fluorescenti a catodo freddo (CCFL) in dispositivi come retro illuminatori di LCD e lampade flash. Il convertitore boost, o step-up, è un elevatore di tensione, nel senso che al contrario del buck, presenta una tensione di uscita maggiore di quella di ingresso (figura 1).

Figura 1: convertitore boost.

Figura 1: convertitore boost.

CONDUZIONE CONTINUA E DISCONTINUA

Quando l’interruttore S è chiuso (figura 2) Vin si trova applicata ai capi dell’induttanza ed il diodo d si contropolarizza, avendo l’anodo praticamente a massa.

Figura 2: fase ON.

Figura 2: fase ON.

La corrente nell’induttore sale linearmente, immagazzinando energia magnetica, fino a quando l’interruttore non si apre. Quando S si apre, poiché L tende a mantenere costante il regime di corrente, la tensione su L si inverte, provocando la conduzione del diodo d. La configurazione del circuito diviene quella mostrata in figura 3.

Figura 3: fase OFF.

Figura 3: fase OFF.

Trascurando la presenza degli elementi parassiti, in conduzione di regime, con duty cycle d = D costante, il legame tra valor medio Vout della tensione di uscita e tensione continua Vin d’ingresso può essere ricavato imponendo nullo il valore medio della tensione sull’induttanza. Anche per il boost così come per il buck si parla di conduzione continua quando la corrente nell’induttanza non si annulla nel periodo, mentre si parla di conduzione discontinua in caso contrario. La pompa di carica o charge pump è un circuito elettronico che usa dei condensatori per immagazzinare energia in maniera da ottenere delle fonti di potenza con tensioni più elevate o più basse di quelle disponibili dall’alimentazione. Le pompe di carica sono caratterizzate da alta efficienza, a volte anche del 90-95%. Le pompe di carica usano dei dispositivi che possono commutare le connessioni delle tensioni al condensatore. Per esempio, per generare una tensione più elevata, per prima cosa si collega la capacità a una certa differenza di potenziale e la si carica. Successivamente, la capacità viene disconnessa dal terminale con cui è stata caricata ed è riconnessa con il suo terminale negativo alla tensione positiva con cui è stata caricata. Poiché la capacità mantiene la tensione ai suoi capi (ignorando gli effetti di perdita o leakage) il terminale positivo è sommato all’originale, raddoppiando effettivamente la tensione. La natura impulsiva dell’uscita a tensione più elevata è tipicamente filtrata da un’ulteriore capacità in uscita. Questo è il funzionamento della pompa di carica, che tipicamente lavora in un campo di frequenze tra le decine di kilohertz fino a svariati megahertz per minimizzare il valore della capacità necessaria. Il condensatore usato nella pompa di carica è tipicamente chiamato flying capacitor. Un altro modo per spiegare il funzionamento della pompa di carica è considerarla come una combinazione di un convertitore DC con un convertitore AC (i commutatori) seguito da un moltiplicatore di tensione. La tensione è dipendente dal carico: carichi più elevati causano tensioni medie più basse. Le pompe di carica possono raddoppiare, triplicare, dimezzare, invertire tensioni ma anche moltiplicarle o scalarle per fattori frazionari come x3/2, x4/3, x2/3 etc. È possibile generare delle tensioni arbitrarie, a seconda del controllore e della topologia del circuito.

APPLICAZIONE

In figura 4 e 5 riportiamo due applicazioni di un convertitore boost e charge-pump che usano rispettivamente il MAX1561 e il MAX1573.

Figura 4: convertitore boost.

Figura 4: convertitore boost.

 

Figura 5: convertitore charge-pump.

Figura 5: convertitore charge-pump.

Le caratteristiche dei due integrati possono essere riassunte nei punti seguenti:

MAX1561:
2.5 - 5.5 V in ingresso DC 26 V uscita massima.
Alta efficienza fino a 87 %
0.3 uA corrente di shutdown.

MAX1573:
alta efficienza fino a 92 %
0.1 uA corrente di shutdown
2.5 - 5.5 V in ingresso DC Controllo PWM.

Mettiamo a confronto i due circuiti realizzati con pochi semplici componenti. Il convertitore boost richiede un induttore e un diode Schotthy.

  • Efficienza
    In figura 6 e 7 è visualizzata l’efficienza al variare della corrente. L’efficienza è misurata come la potenza dei LED diviso la potenza della batteria. La curva a 18 mA rappresenta l’efficienza al normale livello di luce di backlight. A 2 mA il convertitore charge-pump è più efficiente.
Figura 6: efficienza convertitore boost.

Figura 6: efficienza convertitore boost.

 

Figura 7: efficienza di un charge-pump.

Figura 7: efficienza di un charge-pump.

  • Misure fisiche
    In figura 8 viene visualizzato il PCB dei due circuiti. Osserviamo come la presenza dell’induttore di circa 1 mm di altezza incrementa le dimensioni fisiche dell’utilizzo del convertitore boost. Dimensioni inferiori si ottengono con il MAX1573 UCSP.
Figura 8: PCB.

Figura 8: PCB.

  • Flessibilità
    Un importante vantaggio per il boost nell’ambito del PCB è che i LED sono connessi in serie a differenza dell’altro dove sono connessi in parallelo. Questo richiede sono due collegamenti all’integrato a differenza di quello parallelo.
  • Ripple e rumore
    I due convertitori sono di tipo switching e quindi generano in uscita ripple in tensione e corrente. Quando lavorano alla stessa frequenza il comportamento dei ripple per entrambi i convertitori sono simili. Il ripple può essere diminuito agendo sulla capacità in ingresso al sistema. Dall’analisi dei risultati si evince come i due convertitori sono competitivi e se pur il convertitore boost presenta i suoi vantaggi e la maggior popolarità, la nuova generazione di charge-pump sta ricucendo il gap tra loro con nuovi prodotti e nuovi design.

2 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 20 marzo 2019
  2. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 21 marzo 2019

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