Le sfide dei design a LED a bassa potenza

Uno sguardo alle soluzioni economiche attualmente disponibili per bilanciare controllo del carico, condizionamento e conversione della potenza nelle applicazioni LED sotto i 35W

Pubblicato il 19 novembre 2013

Le soluzioni LED a bassa potenza sono solitamente composte da una singola striscia di LED e un unico punto di controllo per l’input e output del driver LED. Questi driver devono eseguire le funzioni base di qualsiasi alimentatore LED, come il condizionamento e la conversione della potenza e il controllo del carico.

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Figura 1

Le soluzioni ad alta potenza possono spesso adottare stadi specializzati per ognuna di queste funzioni, ma nei casi in cui la potenza prevista sia inferiore ai 35W – come nel caso delle lampadine – occorre implementare tutte le tre funzioni nel minor numero di stadi possibile per risparmiare spazio e costi.

La sfida di un design con LED a bassa potenza è quella di raggiungere il punto di equilibrio nel condizionamento della potenza imposto dagli standard normativi. La conversione della potenza, anch’essa normata da standard, deve essere sicura ed efficiente. Il controllo del carico comprende la regolazione della corrente e la fedeltà del dimming, generalmente definita dall’accettazione da parte del mercato stesso.

Le soluzioni FL7730 e FL7732 raggiungono questo equilibrio in modo ideale implementando tutte le tre funzioni in un unico stadio. Con queste soluzioni esiste una significativa interrelazione fra le tre funzioni: per capirle meglio inizieremo dall’ordine più elevato e ci concentreremo principalmente sul condizionamento e sulla conversione della potenza.

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Figura 2

Il controllo del carico gioca un ruolo anche nel condizionamento, ma per poter soddisfare gli standard e i requisiti di mercato inerenti il condizionamento della potenza è essenziale comprendere come condizionare la potenza incluse i vincoli EMI e il fattore di potenza.Il passo successivo sarà dedicato al controllo del carico, come la protezione dai guasti, il controllo a corrente costante e il dimming.

Nella maggior parte degli alimentatori per LED isolati a bassa potenza vengono usati i flyback, ma non tutti i flyback sono uguali. Il funzionamento e la regolazione di un flyback influiscono sui costi e sulle prestazioni del sistema. Il tipico flyback usato per gli alimentatori non ricorre alla correzione del fattore di potenza e tende a disporre di un condensatore elettrolitico ad alta tensione dopo il raddrizzatore bridge.

Questi alimentatori sono tipicamente di tipo SSR (Secondary Side Regulated), a significare che dispongono di un optoaccoppiatore, una tensione di riferimento e una bandwidth veloce di 1kHz per rispondere alle variazioni del carico. Questo tipo di flyback non risulta ideale per l’illuminazione a LED per due motivi: il flyback non possiede la correzione del fattore di potenza ed è solitamente configurato con una tensione costante, mentre i LED sono meglio pilotati a corrente costante.

Nel flyback PFC a stadio singolo il fattore di potenza viene ottenuto mediante un integrato Boundary (o Critical) Conduction Mode PFC Controller che utilizza uno schema fisso di commutazione on-time a frequenza variabile: questa funzione migliora e mantiene il fattore di potenza ma vincola il numero di spire “n” e la tensione di uscita del trasformatore secondo la formula formula1.  L’equazione 1 mostra la corrente di ingresso come funzione dell’angolo di fase. Il denominatore rende la forma d’onda della corrente non sinusoidale a meno che il rapporto formula2non sia estremamente piccolo, dove VR è la tensione riflessa.

AEP2514 Article Eq1 032812Equazione 1

Con le superiori tensioni riflesse richieste per ottenere un fattore di potenza prevedibile, può essere aumentato lo stress sulla tensione del MOSFET secondo formula4. Queste restrizioni tendono a costringere all’adozione di MOSFET a tensione più elevata, circa 800 o 900V.

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Fig. 3 – Regolazione corrente costante

Questo approccio sfrutta solitamente uno schema di controllo a corrente costante SSR che misura direttamente la tensione e la corrente di carico. La misurazione della corrente di carico comporta una perdita di potenza, ma è possibile ottenere un buon controllo a corrente costante di pochi punti percentuali a patto di ricorrere a un optoaccoppiatore.

Questi alimentatori funzionano con un loop di feedback lento, pari a circa 20Hz, adatto ai carichi LED per via della loro natura non dinamica. L’accumulo di energia eseguito dal condensatore elettrolitico ad alta tensione presente nel flyback classico viene ottenuto per mezzo di condensatori a tensione inferiore (la tensione della stringa di LED).

Per aggirare le limitazioni di costo dei flyback PFC a singolo stadio alcuni hanno provato a usare un flyback PSR (Primary Side Regulated) con un PFC passivo. Questo approccio riduce le perdite di potenza sull’SSR e lo stress di tensione sul MOSFET, richiedendo tuttavia condensatori HV e altri componenti sul lato primario che limitano il fattore di potenza, la vita utile e le dimensioni del sistema.

Per ottenere un equilibrio economicamente conveniente tra controllo del carico, condizionamento e conversione della potenza per le applicazioni LED viene proposto un nuovo approccio basato sui dispositivi FL7730 e FL7732, due controller PWM che utilizzano un diverso genere di topologia a singolo stadio con PSR che consente di creare driver LED isolati con un minor numero di componenti e a costi inferiori senza richiedere condensatori di ingresso ad alta tensione né circuiti di feedback SSR. Uno schema complessivo semplificato è illustrato in figura 1.

Per ottenere un buon fattore di potenza e un basso THD, il flyback viene fatto funzionare in DCM a frequenza fissa con on-time costante sulla semionda sinusoidale. Ne consegue che la corrente di ingresso è formula5ed è proporzionale a VIN. Con questo approccio non occorre un’elevata tensione riflessa per ottenere un buon fattore di potenza, e ciò consente di utilizzare i meno costosi MOSFET da 600V anziché quelli, più cari, da 800 o 900V.

Componente centrale delle soluzioni FL7730 e FL7732 è il blocco funzionale per il controllo del carico PSR. Questo particolare circuito di controllo, denominato TRUECURRENT, è stato sperimentato all’interno di applicazioni come i caricabatterie.

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Figura 4

Aggiungendo al controllo TRUECURRENT due funzionalità chiave, le soluzioni FL7732 e FL7730 possono regolare con precisione la corrente di uscita in risposta a cambiamenti intervenuti nella tensione di ingresso, nella tensione di uscita e nella variazione dell’induttanza magnetizzante. Nei progetti basati su FL7730, questa soluzione mette anche a disposizione un metodo di dimming semplice ma efficace.

Il funzionamento di base del blocco di controllo TRUECURRENT è illustrato in figura 2 ed equazione 2.

L’equazione 2 descrive come la corrente di uscita viene determinata dalla corrente di picco del diodo e dal tempo di scarica dell’energia accumulata nel trasformatore.

AEP2514 Article Eq2 032812Equazione 2

La corrente di uscita (IOUT), la media della corrente del diodo in steady state, viene stimata usando la corrente di picco dell’induttore misurata dalla resistenza current sense alla sorgente del MOSFET, e i tempi di scarica della corrente dell’induttore (Tdis) misurati dal pin VS mostrato in figura 1. La scelta della resistenza current sense (RCS ) corretta permette di misurare il valore di picco della corrente di drain con un circuito di rilevamento di picco.

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Figura 5

Il valore IOUT viene calcolato usando il tempo di scarica dell’induttore e può essere misurato nel pin VS. Quando la corrente del diodo scende a zero, la tensione sul pin VS inizia a decrementare rapidamente, come visibile in figura 1. Queste misurazioni e la conoscenza del periodo di commutazione (TS) sono i principali fattori che interessano il blocco di controllo TRUECURRENT.

I dati di uscita vengono dunque confrontati con un riferimento interno preciso per generare una tensione di errore (VCOMI) che determina il duty cycle del MOSFET (Q1) per il funzionamento in modalità a corrente costante. Questa tecnica innovativa è ciò che consente ai dispositivi FL7732 e FL7730 di controllare con precisione un’uscita a corrente costante: lo si può verificare in figura 3 e in tabella 1, dove sono riportati i risultati misurati su una evaluation board evidenziando una deviazione della corrente costante nell’intervallo di tensioni tra 11V e 28V pari a meno del 2,1% per ciascuna tensione in ingresso.

La prima funzionalità chiave ad essere aggiunta per le applicazioni di illuminazione è il compensatore di linea che riceve le informazioni relative alla tensione di linea dal pin VS e le utilizza per modificare il circuito della corrente di picco. Questa soluzione innovativa permette di mantenere tolleranze estremamente limitate con regolazione a corrente costante su un ampio intervallo di tensioni di ingresso. Lo si può verificare in figura 4 e tabella 2, dove sono riportati i risultati di una evaluation board che mostrano come la deviazione della corrente costante nella regolazione di linea alla tensione di uscita (24V) sia inferiore al 2,1%.

Una spiegazione maggiormente dettagliata del funzionamento del flyback PSR ad alto fattore di potenza è consultabile all’indirizzo http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9750.pdf

La seconda funzionalità chiave dedicata all’illuminazione è il controllo del dimming, come illustrato in figura 1. Una semplice rete di partitori di resistenze e un filtro RC convertono il duty cycle della tensione di linea AC in una tensione DC che viene mandata al dim pin del dispositivo FL7730, come evidente in figura 5. Un blocco di controllo bifase bilancia il valore di current sense misurato e viene mandato in ingresso a un blocco di calcolo TRUECURRENT.

Il risultato viene confrontato con un livello elevato di controllo del dimmer in particolari angoli di fase che risultano in tensioni di ingresso a basso RMS. Questo modo semplice ed efficace di controllare l’intensità dei LED è utile praticamente con qualunque genere di controlli di dimming, anche i più complessi come quelli basati su TRIAC. In alternativa, una più semplice soluzione con ingresso DC o una soluzione con ingresso PWM possono essere filtrate per produrre una tensione DC.

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Tabella 1

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Tabella 2

Il rapporto esistente tra le tensioni presenti sul pin 5 del dim pin può essere verificato in figura 6. Una spiegazione più dettagliata delle tecniche di dimming e controllo del carico sarà proposta in un articolo successivo. Ulteriori dettagli sul dimming basato su TRIAC sono disponibili nella application note http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9745.pdf .

Alexander Craig, principal engineer, Fairchild Semiconductor



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