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Introduzione
La diffusione dei LED (Light Emitting Diode) nelle applicazioni d’illuminazione ha sostituito le più comuni lampade a filamento con piccoli e sofisticati sistemi elettronici, costituiti da due parti fondamentali: diodi luminosi e relativo driver di pilotaggio. Il driver dei LED non è altro che un alimentatore che ha il compito di convertire la corrente alternata (AC) della rete elettrica in una corrente continua (DC) di valore costante; tale funzione, apparentemente semplice, richiede in realtà lo sviluppo di soluzioni non banali, poiché i LED possono essere considerati come un tipo di carico “particolare”. Altri due fattori contribuiscono a complicare ulteriormente lo scenario tecnico: le varie applicazioni d’illuminazione richiedono differenti tipologie di driver e ognuno di questi, oltre ad alimentare nel modo appropriato i LED, deve anche rispondere a molti requisiti tecnici aggiuntivi che saranno analizzati in dettaglio successivamente. Ad oggi, le applicazioni di illuminazione a LED si possono distinguere in base alla loro potenza, generalmente si dividono in applicazioni di bassa potenza (fino a 20 watt), media (da 20 a 50 watt) e alta (oltre 50 watt). Un esempio per le applicazioni di bassa potenza è la lampadina domestica a LED, che sta sostituendo progressivamente il tradizionale bulbo a incandescenza, mentre di contro per applicazioni ad alta potenza troviamo l’illuminazione delle grandi aree esterne come possono essere i parcheggi e gli svincoli delle grandi arterie stradali. Come si può dedurre, ai vari driver vengono richiesti requisiti che possono essere molto distanti tra loro, per fattori legati sia alle differenze di carico (il numero dei LED da pilotare), sia ai vincoli complessivi del sistema come, ad esempio, nel caso di un driver installato all’interno di una lampadina, le dimensioni e il costo, oppure l’efficienza di conversione nel caso di un’applicazione di alta potenza. Considerando un ambito a bassa potenza, i prodotti CS5171/2/3/4 della “On Semiconductor” sono regolatori a commutazione ad alta efficienza a 280kHz/560kHz, con una corrente in uscita di 1,5A. In Figura 1 è riportata la disposizione dei loro pin.
Figura 1: Disposizione dei pin della famiglia CS517x
Questi componenti operano in un ampio intervallo di tensione di ingresso, che va da 2,7V a 30V e grazie alla loro flessibilità (regolatore Boost) operano nella maggior parte delle configurazioni di alimentazione, comprese quelle tipo boost, flyback, forward, inverting e SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter). Utilizzano un‘architettura “Current Mode”, che consente un eccellente valore di carico e li rende un ottimo mezzo pratico per la limitazione della corrente; in più combinano il funzionamento ad alta frequenza con un circuito di regolazione altamente integrato, permettendo soluzioni molto compatte. Un’ulteriore interessante funzione è quella della sincronizzazione della frequenza, arresto e controllo del feedback per la regolazione della tensione positiva o negativa. In più tali componenti sono pin-to-pin compatibili con altri integrati come LT1372/1373. In Figura 2 si può analizzare un diagramma a blocchi che illustra il funzionamento interno.
Figura 2: Schema funzionale a blocchi
Alcune caratteristiche principali sono:
- Campo di alimentazione: da 2.7V a 30V
- Componenti esterni minimi: circuiti stampati più piccoli
- Sincronizzazione semplificata: riduzione rumore del sistema
- Protezione contro le sovracorrenti
- Spegnimento termico con isteresi
- Interruttori di potenza integrati: riduzione delle dimensioni
- Compatibile Pin-to-Pin con LT1372/1373
- Ampio intervallo di temperatura
- Prestazioni garantite su tutto il campo della temperatura
PANORAMICA DI PRODOTTO
Passiamo a un’analisi più dettagliata di questi integrati. Vista la grande disponibilità e varietà di driver per LED, volendone fare una distinzione, possiamo dividerli in due principali famiglie: driver isolati e non isolati. Nel primo caso la catena circuitale che va dalla rete elettrica al LED comprende anche un trasformatore, che consente di isolare galvanicamente la superficie della lampada rispetto all’impianto elettrico; nel secondo caso, invece, questo isolamento non è presente. Per i driver isolati di bassa potenza è generalmente indicata la topologia flyback, mentre per quelli di alta potenza viene consigliata la topologia a mezzo ponte risonante. Per i driver non isolati le tipologie circuitali più diffuse sono invece quelle buck-boost, buck e SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter). Esiste poi un gran numero di varianti: la topologia flyback, ad esempio, può essere realizzata anche in una versione a due stadi comprendente uno stadio di boost. A complicare ulteriormente il panorama delle topologie circuitali contribuiscono anche i requisiti tecnici collaterali, come può essere la correzione del fattore di potenza, che in molti circuiti integrati rivolti alla realizzazione di driver per LED (PFC - Power Factor Correction) è implementata tramite uno stadio a sé stante. I principali produttori di semiconduttori, oltre a un certo numero di produttori specializzati, offrono circuiti integrati rivolti alla realizzazione di driver per LED e nel complesso il mercato offre ad oggi una varietà impressionante di dispositivi, che rispondono a vari requisiti di potenza, di prestazioni e normativi. I circuiti integrati consentono non solo di semplificare la realizzazione del driver, riunendo le funzioni di molti componenti discreti, ma anche di immettere nell’integrato quella dose di “intelligenza” che permette di realizzare delle funzionalità innovative, come ad esempio soluzioni di regolazione sul lato del primario (PSR, Primary Side Regulation), che consentono di fare a meno del fotoaccoppiatore nei driver isolati e quindi di semplificare il circuito, eliminando un componente poco affidabile; nelle funzioni di controllo della corrente sono utilizzate tecniche di digital power (l’anello di regolazione è realizzato in modo digitale), inoltre vari produttori hanno sviluppato soluzioni che consentono al driver di riconoscere automaticamente il tipo di regolatore installato nell’impianto elettrico e di adottare conseguentemente la modalità di funzionamento più appropriata. Questi sono solo alcuni esempi di funzioni che un driver generico può avere ma considerando la famiglia CS517x della On Semiconductor analizziamo più nel dettaglio le caratteristiche salienti di tali dispositivi.
IL CONTROLLO “CURRENT MODE”
La famiglia CS517x incorpora un sistema di controllo “Current Mode” (CM), visibile in Figura 3, in cui il segnale a rampa PWM è derivato dalla corrente dell’interruttore; tale segnale a rampa viene confrontato con l’uscita dell’amplificatore di errore per controllare il periodo di accensione dell‘interruttore di alimentazione. In aggiunta l’oscillatore è usato con una frequenza fissa per garantire una frequenza operativa costante. Lo schema di controllo risultante offre diversi vantaggi rispetto a modalità convenzionale di controllo della tensione, in primo luogo, essendo derivato direttamente dall’induttore, il segnale di rampa risponde immediatamente alle variazioni di tensione e questo elimina il ritardo causato dal filtro e l’errore di amplificazione, che si trova invece comunemente in controllori “voltage mode”. Il secondo vantaggio deriva dalla limitazione della corrente inerente al “pulse-by-pulse” semplicemente fissando il picco di corrente di commutazione. Infine, poiché in “Current Mode” si gestisce una corrente d’uscita piuttosto che una tensione, il filtro offre solo un unico polo di retroazione, permettendo sia una compensazione più semplice che un maggiore guadagno- banda rispetto ad un circuito “voltage mode”.
Figura 3: Funzionamento in “Current Mode”
Pur senza screditare i suoi meriti, il CM può avere problemi legati a oscillazioni sub-armoniche a cicli di oltre il 50%, ma la famiglia CS517x risolve questo problema adottando un sistema di compensazione a pendenza in cui viene generata una rampa fissa dall’oscillatore aggiunta alla rampa di corrente. Un tasso di pendenza adeguata è resa sempre disponibile per migliorare la stabilità del circuito senza rinunciare ai vantaggi del controllo “Current Mode”.
L’OSCILLATORE
Con riferimento alla Figura 3, l’oscillatore viene regolato per garantire una precisione di frequenza del 18%, la sua uscita accende l’interruttore di alimentazione a una frequenza di 280kHz (per CS5171/2) o 560kHz (per CS5173/4) e tale interruttore viene spento mediante l’uscita del comparatore PWM. Un ingresso “sync” (compatibile TTL) al pin SS è in grado di sincronizzare fino a 1,8 volte la frequenza dell’oscillatore base, infatti come mostrato in Figura 4, per ottenere una sincronizzazione con una frequenza più elevata, una transizione positiva deve accendere l’interruttore di alimentazione prima che l’uscita dell’oscillatore vada alto, resettando in tal modo l’oscillatore stesso; l‘operazione di sincronizzazione consente a più alimentatori di operare alla stessa frequenza.
Figura 4: Diagramma temporale per il Sync e lo spegnimento
Una caratteristica supplementare comprende uno spostamento di frequenza al 20% della frequenza nominale quando entrambi i pin NFB e FB superano una certa soglia. Infine, questo blocco produce anche una rampa di compensazione in modo da migliorare la stabilità del regolatore.
L’AMPLIFICATORE D’ERRORE
Per gli integrati CS5172/4, il pin NFB fa riferimento internamente a -2,5 V con un’impedenza di ingresso di circa 250k, mentre per gli integrati CS5171/3, il pin FB è direttamente collegato all’ingresso invertente dell’amplificatore di errore positivo, il cui ingresso non invertente è alimentato dalla tensione di riferimento di 1,276V. Entrambi gli amplificatori sono a transconduttanza, con l’elevata impedenza di circa 1M, come mostrato nella Figura 5 (circuito equivalente). Il pin VC è collegato all’uscita degli amplificatori di errore ed è limitato internamente tra 0,5 V e 1,7 V; una tipica connessione al pin VC include un condensatore in serie con un resistore a massa, formando un polo/zero per la compensazione dell’anello. Uno “shunt” esterno può essere collegato tra il pin VC e la massa per ridurre la sua tensione di “clamp” e di conseguenza il limite della corrente dei transistor interni è ridotto rispetto al suo valore nominale.
Figura 5: Circuito equivalente dell’amplificatore di errore
INTERRUTTORE DI PILOTAGGIO E DI POTENZA
L’interruttore di pilotaggio riceve un segnale di controllo dalla sezione logica per gestire l’interruttore di potenza in uscita, che è collegato a massa tramite una resistenza di emettitore (63m totali) al pin PGND. Questo pin non è collegato al substrato dell’integrato, di modo che il rumore di commutazione rimane isolato dalla massa analogica. La corrente di picco di commutazione viene limitata da un circuito interno e l‘interruttore di potenza è in grado di sopportare una tensione massima di 40V sul collettore (VSW). La tensione di saturazione del commutatore è tipicamente inferiore a 1V, per minimizzare la dissipazione di potenza.
ATTIVAZIONE E CONDIZIONI DI CORTO CIRCUITO
Quando si verifica una condizione di corto circuito, la corrente nell’induttore aumenta durante l’intero ciclo di commutazione, richiedendo una corrente eccessiva dall’alimentazione di ingresso; poiché i circuiti integrati di controllo non hanno i mezzi per limitare la corrente di carico, deve essere attuata una strategia mediante un circuito esterno che limiti la corrente (come un fusibile o relè, ad esempio) per proteggere il carico, l’alimentazione e i vari circuiti integrati. Il CS517x può essere attivato collegando il pin VCC a una sorgente di tensione e abilitando il pin SS; un esempio di accensione è mostrato nella Figura 6, in cui sono state acquisite le forme d’onda delle varie fasi di accensione del dispositivo. Quando la tensione VCC è inferiore alla minima tensione di alimentazione, il pin VSW è in alta impedenza, pertanto conduce corrente dalla sorgente di alimentazione in ingresso attraverso l’induttore e il diodo direttamente all’uscita. Una volta che la VCC raggiunge circa 1,5V, l’interruttore di alimentazione interno si accende brevemente (normale funzionamento del CS517x). Non appena la tensione sul pin VC supera la soglia, l’interruttore di alimentazione interno inizia a commutare e si può vedere un impulso di tensione al pin VSW. Se viene rilevata una bassa tensione di uscita al pin FB, la caratteristica interna di spostamento della frequenza, riduce la frequenza di commutazione a una frazione del suo valore nominale, riducendo il minimo “duty cycle” che è comunque limitato dal minimo tempo di accensione dell’interruttore. La corrente di picco durante questa fase viene limitata internamente. Quando la tensione del pin FB supera la soglia di 0,4V, la frequenza aumenta al valore nominale e la corrente di picco inizia a diminuire quando l’uscita si avvicina alla tensione di regolazione. La condizione di sovratensione è definita quando la tensione del pin FB è maggiore di 50mV rispetto alla tensione di riferimento.
Figura 6: Forme d’onda d’accensione (Carico=400mA)
Figura 7: Schema di riferimento per applicazione SEPIC
UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE SEPIC
Passando ad un’applicazione di tali integrati, in Figura 7 è riportato un esempio di schema per il driver CS5171 (topologia SEPIC). Il tutto è alimentato a 4V e il driver LED viene utilizzato come un regolatore boost DC-DC, con frequenza di 260 KHz e con efficienza di circa il 65%. L'MBRM110LT1 è un diodo Schottky da 10V e il dispositivo NCS2001 opera come amplificatore attraverso R2 e gestisce il pin di feedback sul CS5171. Per maggiori dettagli sui vari componenti dello schema si faccia riferimento alla Tabella 1 in cui è riportata la “Bill of Materials” (lista componenti). Infine, in Figura 8 è riportato il layout di un PCB e sono visibili sia il lato componenti che quello delle piste.
Tabella 1
Figura 8: Layout di un PCB per applicazione SEPIC
CONCLUSIONI
L’intero panorama di questi semiconduttori è in continua evoluzione perché l’elettronica di pilotaggio deve rimanere al passo con lo sviluppo tecnologico dei LED, altrettanto veloce, contribuendo alla realizzazione di sistemi di gestione sempre più efficienti. I dispositivi della On Semiconductor descritti in questo articolo confermano queste tendenze, offrendo varie funzionalità interessanti e con un livello delle prestazioni sempre in crescita grazie all’attenzione che quest’azienda riserva all’innovazione dei propri prodotti.
