Pilotaggio di stringhe di LED

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Introduzione

Apparsi sul mercato come soluzioni per applicazioni elettroniche nel 1962, i LED (Light Emitting Diode) hanno oggi una diffusione quasi ovunque, dai sistemi di trasmissione dati agli apparati di illuminazione. In questo secondo settore, in particolare, accanto ai LED stessi, si è inoltre sviluppata una interessante fetta di mercato che riguarda i relativi sistemi di driving. Una delle soluzioni più complete attualmente disponibili è, ad esempio, quella offerta da Atmel. L’azienda dispone, infatti, di driver per stringhe di LED con: boost controller e circuiti di sink della corrente (dei LED) integrati, circuito di controllo per convertitore DC/DC esterno e sink di corrente integrati, circuito di controllo per convertitore DC/DC e drivers per NFET esterni. I diversi dispositivi consentono di supportare le varie applicazioni di illuminazione di tipo direct-light, back-light o egde-light che si trovano oggi in monitor industriali, notebook e televisori di ultima generazione. Tutti i componenti sono orientati alla realizzazione di soluzioni che riducono il numero di componenti, offrono flessibilità di progetto e consentono di contenere i costi complessivi di produzione.

LED DRIVER CON BOOST CONTROLLER E CIRCUITI DI CURRENT SINK INTEGRATI

I driver con boost controller e circuiti di current sink integrati, in particolare, sono soluzioni ideali per le applicazioni con notebook e PC di tipo desktop, strumentazione medicale ed industriale, dispositivi portatili multimediali e periferiche audio-video in ambito automotive. Richiedono, infatti, un numero limitato di componenti passivi esterni tra resistori, condensatori ed induttanze pur garantendo elevata efficienza, basso ripple e basso rumore nella regolazione delle tensioni di pilotaggio della stringa di LED. I modelli MSL1060/1061/1064, in particolare, integrano un regolatore boost (operante in modalità current mode) con frequenza di switching di 1.1 MHz ed efficienza fino anche al 92%. Il regolatore (Figura 1) è compensato digitalmente ed in grado di operare con tensioni di ingresso da 4.75 V a 36 V.

Figura 1. Tipico schema applicativo del driver MSL1060

Figura 1: Tipico schema applicativo del driver MSL1060

La tensione di uscita è regolata automaticamente dal dispositivo (fino ad un massimo di 48 V) per assicurare la corretta tensione di polarizzazione diretta per i LED connessi alla stringa seriale. I dispositivi MSL1060/1061/1064 dispongono di fino a 6 diverse uscite con capacità di sink fino a 30 mA. Le uscite sono abilitabili singolarmente (è sufficiente connettere a massa quelle non utilizzate); tuttavia, essendo tutte pilotate dall’unico regolatore boost interno, è necessario che abbiano lo stesso numero di LED in serie. La massima tensione di uscita del regolatore boost (48 V, come detto) determina il numero massimo di LED per stringa, ovvero 12 (assumendo la tensione tipica di polarizzazione massima di 3.75 V). I dispositivi MSL1060/1061/1064 dispongono di due diverse modalità di dimming. Un ingresso PWM digitale dedicato consente di controllare direttamente (regolandone duty-cycle e frequenza) il tempo di on/off delle uscite di pilotaggio delle stringe. Un secondo ingresso analogico (compreso tra 0V e 1.2V), invece, permette di regolare proporzionalmente la corrente di uscita; connettendolo opportunamente ad un sensore NTC o ALS, tale ingresso può essere usato, in particolare, per implementare funzionalità di compensazione automatica per temperatura o luminosità ambientali.

I dispositivi MSL1060/1061/1064 dispongono di capacità di fault detection di stringhe in condizioni di cortocircuito e circuito aperto (in presenza di fault la linea di uscita relativa viene disabilitata) e protezione da sovra-corrente e sovra-temperatura del die; eventuali fault sono segnalati asserendo una linea di uscita open-drain dedicata. Oltre alle funzionalità comuni sopra elencate, poi, i dispositivi MSL1061/1064 dispongono di generatore PWM interno a 8bit e convertitore ADC a 4bit per la generazione interna dei segnali digitale ed analogico di dimming. I dispositivi sono controllabili mediante interfaccia I2C/SPI (che permette anche di accedere a opportuni registri di stato ed errore). L'MSL1061 ha indirizzo fisso su bus I2C/SPI mentre questo è configurabile mediante 2 pin dedicati nel caso dell'MSL1061 (consentendo così di connettere in parallelo fino a 4 dispositivi). I dispositivi MSL1060/1061/1064 sono disponibili in package TQFN a 24 pin, di tipo lead-free, halogen-free, ROHS-compliant (così da soddisfare le diverse normative per i dispositivi elettronici consumer) e sono in grado di operare nell’intero intervallo di temperatura esteso da -40°C a +85°C. Caratteristiche ai modelli appena presentati sono offerte pure dai dispositivi MSL3080/3086/3088. In questo caso il numero di stringe pilotabili in parallelo è fino ad 8, la tensione massima erogata in uscita 40 V e la corrente di sink (per stringa) fino a 60 mA (impostabile mediante resistore esterno).

Tutti i dispositivi dispongono di ingresso PWM esterno e circuito PWM interno per il controllo on/off delle uscite; il circuito interno consente dimming fino a 4095:1. Diversamente dai modelli precedenti, tuttavia, è supportata la possibilità di shiftare in fase la commutazione delle singole uscite così da ridurre il rumore indotto sulla linea di alimentazione durante i transienti. Il regolatore boost integrato opera ad una frequenza di switching di 625 kHz ed utilizza un MOSFET esterno, supportando così diverse topologie (come SEPIC, fly-back o single-forward). E’ inoltre implementata la funzionalità Energy Optimizer che consente di aggiustare dinamicamente la tensione di uscita (ricalibrandola una volta al secondo) al valore minimo necessario al corretto funzionamento dei LED.

LED DRIVER CON CIRCUITO DI CONTROLLO DC-DC ESTERNO E CURRENT SINK INTERNI

Se i dispositivi presentati in precedenza sono ideali in ambito laptop o mobile, per applicazioni che richiedano maggiore potenza per il pilotaggio della stringa di LED (come nel caso di soluzioni di back-lighting, long-life per monitor di tipo desktop e televisori o di soluzioni di lighting allo stato solido) sono preferibili i modelli delle serie MLS3162/3163/3164 e MLS4163/4164. Tutti questi richiedono un regolatore DC/DC esterno per la generazione della tensione di polarizzazione dei LED, implementando internamente soltanto i circuiti di sink di corrente e la logica di controllo per le funzioni di regolazione di luminosità e brillantezza. Consentono di pilotare fino a 16 stringhe, ognuna con fino a (tipicamente) 10 LED per stringa (dal momento che la tensione massima di stringa supportata dal dispositivo è di 40 V). Per quanto riguarda invece la corrente nominale di stringa, questa può essere impostata ad un valore unico per tutte le stringhe (fino ad un massimo di 100 mA).

Nel caso dell'MLS3162 ciò è possibile soltanto mediante resistore esterno; nel caso degli altri dispositivi, invece, vi è un ulteriore controllo analogico interno programmabile mediante l’interfaccia host. In tutti i modelli è quindi implementata una funzionalità di dimming automatica di ogni linea di uscita mediante due controlli interni, di cui uno analogico e l’altro digitale (PWM). Il fattore di dimming (impostato appunto singolarmente per ogni stringa) è aggiornato sulla base del valore specificato espressamente dall’utente, dell’intensità complessiva e del derating termico del dispositivo. Il controllo PWM digitale può, inoltre, eventualmente essere agganciato ai segnali di sincronismo di linea (HSync) e frame (VSync) nel caso di impiego con un pannello LCD, così da eliminare artefatti legati all'illuminazione dello schermo. In aggiunta al circuito PWM digitale interno, i modelli MLS4163/4164 (di cui in Figura 2 è mostrato lo schema a blocchi) dispongono poi di ingresso PWM esterno. Configurabile è pure il ritardo di fase delle singole uscite, per ridurre i problemi di motion blur.

Figura 2. Schema a blocchi dell’architettura del driver MSL4163/4164

Figura 2: Schema a blocchi dell’architettura del driver MSL4163/4164

L’interfaccia di controllo e configurazione è di tipo SPI/I2C/SMBus (a seconda dei modelli), con la possibilità di indirizzare fino a 16 diversi dispositivi sul bus. Sono presenti da 1 a 3 diversi ingressi che supportano la funzionalità Energy Optimizer per la regolazione automatica della tensione di stringa per applicazioni power-saving. Come per i modelli precedenti, anche i dispositivi presentati in questa sezione supportano funzionalità di fault monitoring e sono disponibili in package RoHS compatibili e qualificati nell’intervallo di temperatura industriale (da -40°C a +85°C).

LED DRIVER CON CIRCUITO DI CONTROLLO DC-DC ESTERNO E DRIVERS PER NFET ESTERNI

I dispositivi presentati in precedenza, realizzando soluzioni integrate, non consentono di pilotare stringhe con un numero elevato di LED connessi in serie (a causa della massima tensione di polarizzazione di stringa supportata, come abbiamo già detto). Per applicazioni di questo tipo, che si trovano ad esempio nei sistemi di illuminazioni di pannelli LCD edge-light, sono disponibili presso Atmel driver con alimentatore e NFET esterni. Gli MSL2041/2042, ad esempio, supportano fino a 4 canali di pilotaggio di altrettanti MOSFET esterni in grado di commutare una corrente fino a 1 A per l’alimentazione delle stringe. Quattro ingressi PWM consentono il controllo diretto della frequenza di commutazione di ogni linea e la brillantezza dei LED connessi alla relativa stringa; l'MSL2042 supporta, inoltre, il controllo di fase delle uscite. Entrambi i dispositivi implementano la tecnologia proprietaria Adaptive Source Power che, mediante ingressi di feedback indipendenti per ogni linea, consente di ottimizzare la potenza dissipata su ogni stringa in funzione delle condizioni di lavoro presenti. Come per tutti i modelli discussi in precedenza, sono presenti funzionalità di rilevamento di fault e una interfaccia I2C di controllo e configurazione. Gli MSL2041/2042 sono integrati in package SOP a 32 pin, ROHS compatibile e qualificati per l’intero intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C.

In package TQFN a 64 pin sono invece disponibili i modelli MSL2164/2166 che consentono di pilotare fino a 16 stringhe di LED (con corrente massima per stringa, commutata attraverso il MOSFET esterno, di 350 mA). Anche in questo caso le linee sono pilotate mediante controllo PWM ricevuto dall’esterno o generato internamente (con risoluzione di 12-bit); il controllo può essere agganciato ad un segnale di riferimento, derivabile, nel caso ad esempio delle applicazioni video, dal segnale di sincronismo di frame. L’intensità massima di corrente è analogamente configurabile (sebbene, al solito, sia possibile definire un solo valore per tutte le stringhe). I dispositivi supportano praticamente tutte le topologie per quanto concerne i convertitori di tensione esterni AC/DC o DC/DC, dispongono di capacità di rilevamento di fault oltre che di protezione da sovra-temperatura e implementano le tipiche soluzioni di Energy Optimizer degli analoghi dispositivi visti in precedenza. L’interfaccia di controllo è SPI con la possibilità di connettere allo stesso bus fino a 8 controller diversi. Mediante interfaccia I2C/SMBus sono invece controllabili i dispositivi della serie MSL3062 che però dispongono di solo 8 linee di controllo per altrettante stringhe ed un unico ingresso di feedback per le funzionalità di Energy Optimizer.

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