Regolazione di LED ad alta luminosità

Analizziamo alcune applicazioni per LED ad alta luminosità che utilizzano un regolatore buck LM3405. Si tratta di uno dei driver LED più compatti presenti sul mercato, in grado di realizzare una modulazione d’intensità.

Il componente LM3405 di National Semiconductor è un driver LED estremamente compatto e potente. Si tratta di un regolatore buck a corrente costante di 1 A, progettato per garantire una soluzione ad elevata efficienza per alimentare i LED caratterizzati da elevata densità di potenza. La tensione di riferimento di feedback estremamente bassa, circa 205 mV, permette di utilizzare LED con un’elevata tensione di forward, ottimizzando la potenza dissipata. Una semplice resistenza esterna permette di impostare la corrente che deve scorrere nei LED a seconda della tipologia. La frequenza di switching è impostata internamente a 1.6 MHz; questo permette di utilizzare induttanze di piccolo valore così come induttanze e condensatori in SMD. Questo driver LED integra un limitatore di corrente interno, una protezione contro le sovratensioni e un meccanismo di spegnimento per problemi termici. La tipologia di controllo dei LED è in corrente con compensazione interna, la quale offre una facilità d’uso notevole e una predizione sul valore di regolazione estremamente efficiente per un range esteso di condizioni operative. Il dispositivo è offerto in package TSOP da 6 pin estremamente compatto, come si può vedere dall’immagine di Figura 1 della demo board offerta da National per sviluppare con il componente.

Figura 1: scheda di valutazione LM3405XEVAL; il componente LM3405 è U1

CIRCUITI APPLICATIVI

Il circuito di Figura 2 mostra un’applicazione tipica dell’LM3405 che pilota un singolo LED. La tensione di boost può essere ricavata sia dalla VIN che dalla VOUT. La differenza di tensione tra tensione di booster VBOOST e la tensione di switching VSW non deve mai superare il limite operativo di 5.5 V. Allo stesso tempo, essa deve essere superiore a 2.5 V per ottenere la massima efficienza. Nel circuito di Figura 2 la massima tensione in ingresso è 5 V, perciò la tensione di boost sarà generata a partire da questa.

Figura 2: un LM3405 pilota un LED ad alta luminosità

Il componente LM3405 regola la tensione sul pin FB a 205 mV (tipico), perciò la corrente I_F che scorrerà nei LED si può impostare a partire dalla seguente equazione:

La resistenza R1 non può avere valore inferiore a 200 mOhm, il che significa che I_F è limitata a 1 A. Per correnti superiori, il circuito interno di limitazione blocca il funzionamento del dispositivo. In caso di sovratensioni (percepite al pin FB), il dispositivo si spegne. L’LM3405 ha anche uno spegnimento comandato in temperatura (con isteresi) che si attiva se la temperatura del DIE eccede il valore tipico di 165 °C.

MODULAZIONE PWM

I LED possono essere modulati in intensità attraverso una logica che generi un segnale PWM al pin EN/DIM dell’LM3405, come in Figura 3.

Figura 3: un LM3405 pilota un LED ad alta luminosità

Un livello logico alto del segnale V_PWM attiva il chip, mentre un livello basso lo spegne. In questo modo la corrente nel LED si accende e si spegne. Per eliminare lo sfarfallio, la frequenza del PWM non deve essere inferiore a 100 Hz. Il limite superiore della frequenza è invece fissato dal ritardo di accensione dell’LM3405. Se il segnale V_PWM ha un tempo di accensione TON e un periodo TPER, la I_F media si ricava dall’equazione sottostante:

Notare che il ritardo in accensione e spegnimento del driver non è contemplato in questa equazione. Solitamente, dal momento in cui un livello logico alto si presenta sul pin EN/DIM, al momento in cui I_F scorre a regime passano circa 100 us (Figura 5). La corrente media nei LED è dunque controllata tramite TON e TPER, o entrambi, e viene percepita dall’occhio come una variazione nell’intensità luminosa. In Figura 4 si può vedere la corrente media misurata nei LED per vari duty cycle e frequenze. Il ritardo di accensione dell’LM3405 è mostrato in Figura 5 per una corrente di 1 A. Si deve valutare il tempo tra l’istante in cui EN/DIM diventa 1, all’instante in cui I_F raggiunge 900 mA (ossia il 90% della corrente nominale).

Figura 4: corrente media misurata nei LED per vari duty cycle e frequenze

Figura 5: ritardo di accensione dell’LM3405

AUTO POLARIZZAZIONE DELLA TENSIONE DI BOOST

In una tipica applicazione dove due o più LED vengono gestiti tutti in serie, la tensione di boost viene ottenuta tramite una sorgente esterna, tale per cui la differenza tra la tensione di boost e la tensione al pin SW rispetti i requisiti citati in precedenza. Quando si alimentano due o più LED in serie, V_IN sarà maggiore di 5 V e perciò non può essere utilizzata per ottenere V_BOOST, in questo caso V_OUT è anch’essa elevata e non può essere usata per generare V_BOOST. In Figura 6 viene mostrato un approccio per ottenere un’auto polarizzazione della tensione di boost da una stringa di LED senza la necessità di generare un’alimentazione a bassa tensione supplementare.

Figura 6: auto polarizzazione della tensione di boost da una stringa di LED

L’anodo del diodo di boost D2 è collegato all’anodo di LED3. La tensione all’anodo di LED3 è circa 205 mV più la tensione di forward di LED3. Quindi, siamo approssimativamente tra 3 e 4 V (secondo la corrente di forward nei LED) e rispettiamo i requisiti richiesti. Bisogna notare come la corrente che attraversa LED1 e LED2 sarà leggermente maggiore della corrente in LED3, infatti, la corrente media di carica della capacità di boost C3 passerà anch’essa da LED1 e LED2:

dove I_F1, I_F2 e I_F3 sono le correnti in LED1, LED2 e LED3, rispettivamente, e I_C3mean è la corrente media di carica del condensatore C3 in un ciclo di switching. Questa tipologia va bene se non è fondamentale che lo stesso valore di corrente attraversi tutti i LED della stringa.

PILOTAGGIO DI PIÙ STRINGHE DI LED

Il componente LM3405 può essere utilizzato per pilotare più stringhe di LED in parallelo, come in Figura 7.

Figura 7: pilotaggio di LED su più rami

La corrente nel primo ramo (con LED1 e LED2) sarà regolata dal ciclo di retroazione. La corrente nel secondo ramo (con LED3) sarà regolata basandosi su V_OUT, la tensione di forward di LED3, e R2. Il valore di R2 può essere regolato per ottenere la luminosità desiderata per LED3. Le equazioni sono:

dove VF1 e VF2 sono le rispettive tensioni di forward di LED1 e LED2 al livello di corrente del primario. In Figura 7 VBST deve provenire da una sorgente esterna di tensione DC da 3 a 5 V. VBST può anche essere ottenuto dal catodo di LED3. In questo caso, assumendo tutte identiche le tensioni di forward dei LED e pari a 3.8 V, si ha:

In questo caso la corrente media sul LED3 è superiore poiché addizionata dalla corrente media di carica di C3, come affermato in precedenza.

PILOTAGGIO DI PIÙ LED IN PARALLELO

Più LED possono essere posti in parallelo e collegati tra V_OUT e FB, come in Figura 8. La tensione al pin FB è sempre regolata a 205 mV dal ciclo di controllo e quindi la corrente che scorre in R1 è fissa. La V_OUT è determinata dal LED con tensione di forward più alta. Questa soluzione ha il vantaggio di avere una singola resistenza che impone la corrente totale nei LED ma non assicura che tale corrente sia divisa equamente tra i rami.