Qualunque sia il tipo di regolatore

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1 La regolazione della luminosità in modalità PWM IV parte Sameh Sarhan Application Engineer National Semiconductor Chris Richardson Application Engineer National Semiconductor Qualunque sia il tipo di regolatore utilizzato per il LED buck, boost, buck-boost o lineare, il comune denominatore di ciascun circuito di pilotaggio è la necessità di controllare l uscita luminosa. Le applicazioni di tipo ON/OFF sono un numero limitato, mentre per la maggior parte esse richiedono il controllo tra lo 0 e il 100%, spesso con un livello di risoluzione molto fine. Per il controllo dell uscita luminosa esistono due opzioni: la prima si basa sulla regolazione lineare della corrente del LED (variazione della luminosità di tipo analogico) mentre la seconda prevede un rimbalzo avanti e indietro tra 0 e un valore di corrente di pilotaggio target a una frequenza di valore sufficientemente elevato da consentire all occhio umano di mediare l uscita luminosa (variazione della luminosità di tipo digitale). L utilizzo della modulazione PWM per impostare il periodo e il duty cycle è forse il modo più semplice per effettuare la variazione della luminosità di tipo digitale, dato che la medesima tecnica viene impiegata per il controllo della maggior parte dei convertitori a commutazione. Modulazione PWM: la scelta migliore La regolazione della luminosità di tipo analogico è spesso più semplice da realizzare. La corrente di uscita del circuito per il pilotaggio del LED può essere variata proporzionalmente a una tensione di controllo e la regolazione della luminosità analogica non introduce nuove frequenze come potenziali fonti di disturbi EMC/EMI. La regolazione di luminosità di tipo PWM, comunque, viene utilizzato in parecchi progetti a causa di una proprietà fondamentale dei Fig. 1 Circuito di pilotaggio per LED che utilizza la variazione di luminosità in modalità PWM con le relative forme d onda 1

2 LED: la qualità della luce emessa cambia in proporzione al valore medio della corrente di pilotaggio. Per i LED monocromatici, il cambiamento avviene a livello della lunghezza d onda dominante. Nel caso dei LED bianchi, cambia la temperatura di colore correlata (CCT - Correlated Color Temperature). Il rilevamento di una variazione dell ordine di pochi nanometri in un LED rosso, verde o blu risulta difficilmente percepibile dall occhio umano, specialmente quando varia anche l intensità luminosa. Una variazione della temperatura del colore in un LED bianco, invece, viene rilevata con facilità. Parecchi LED bianchi sono formati da un die che emette fotoni nello spettro del blu che colpiscono un rivestimento di fosforo che a sua volta emette fotoni in un ampia gamma di luce visibile. In presenza di basse correnti il fosforo domina e la luce tende ad assumere una colorazione più gialla, mentre a correnti più elevate è prevalente l emissione di colore blue del LED, il che conferisce alla luce un aspetto blue, con conseguente aumento del CCT. Nelle applicazioni in cui è presente più di un LED bianco, una differenza a livello di CCT tra due LED adiacenti è insieme un fatto ovvio e spiacevole. Il concetto appena esposto interessa anche le sorgenti luminose che mescolano la luce provenienti da più LED monocromatici. Quando è presente più di una sorgente luminosa, ogni differenza tra di loro è causa di tremolio. Nelle tabelle che descrivono le caratteristiche elettriche dei loro prodotti, i costruttori di LED specificano un determinato valore della corrente di pilotaggio e garantiscono la lunghezza d onda dominante o il CCT solamente per quel valore di corrente. La variazione di luminosità mediante la modulazione PWM assicura che i LED emettono il colore che il progettista desidera indipendentemente dall intensità. Un controllo così preciso è particolarmente importante nelle applicazioni RGB dove la luce di differenti colori viene mescolata per produrre il colore bianco. Dal punto di vista dei circuiti integrati di pilotaggio, la variazione di luminosità di tipo analogico pone un serio problema per quanto attiene la precisione della corrente di uscita. Quasi tutti i circuiti per il pilotaggio dei LED utilizzano un resistore in serie con l uscita per rilevare la corrente. Il valore della tensione di rilevamento della corrente - V SNS viene selezionato in base a un compromesso che permetta di minimizzare la dissipazione di potenza e mantenere un elevato rapporto tra segnale e rumore (SNR). Tolleranze, derive e ritardi nel circuito di pilotaggio introducono un errore che rimane relativamente costante. Per diminuire la corrente di uscita in un sistema ad anello chiuso, il valore di V SNS deve essere ridotto, diminuendo la precisione della corrente di uscita, fino a che il valore assoluto di V SNS eguagli quello della tensione di errore, dando come risultato una corrente di uscita che non può essere controllata, specificata o garantita. In generale, la variazione della luminosità mediante la modulazione PWM assicura un controllo più accurato e lineare sull uscita luminosa fino a livelli più bassi rispetto a quelli ottenibili con la variazione della luminosità di tipo analogico. Frequenza di variazione della luminosità in funzione del rapporto di contrasto Ciascun circuito per il pilotaggio di LED è caratterizzato da un tempo di risposta finito a un segnale di variazione della luminosità PWM. Nella figura 2 vengono riportati tre tipi di ritardi: tanto maggiori sono questi ritardi, tanto minore è il rapporto di contrasto ottenibile (una misura del controllo dell intensità dell illuminazione). Facendo riferimento alla figura 2, t D rappresenta il ritardo di propagazione dal momento in cui il segnale logico V DIM va nello stato logico alto a quello in cui il driver per LED inizia a incrementare la corrente di uscita. t SU rappresenta inve- Fig. 2 Ritardi della variazione di luminosità 2

3 Fig. 3 Circuito con FET in parallelo con le relative forme d onda ce il tempo necessario alla corrente di uscita per passare da 0 al valore desiderato, mentre t SD rappresenta il tempo richiesto dalla corrente di uscita per tornare dal valore desiderato a 0. In linea generale, minore è il valore della frequenza di variazione della luminosità, f DIM, maggiore sarà il rapporto di contrasto in quanto questi ritardi fissi rappresentano una piccola parte del periodo di variazione della velocità, T DIM. Il limite inferiore per f DIM è circa 120 Hz, limite al di sotto del quale l occhio non è più in grado di mescolare gli impulsi in una luce continua percepibile. Il limite superiore è determinato dal minimo valore del rapporto di contrasto richiesto. Matematicamente il rapporto di contrasto è l inverso del tempo di on minimo: CR = 1/t ON-MIN :1 Dove t ON-MIN = t D + t SU Le applicazioni nei settori della visione artificiale e dell ispezione industriale spesso richiedono frequenze di variazione della luminosità PWM molto elevate perchè i sensori e le telecamere operanti ad alta velocità utilizzati rispondono molto più rapidamente rispetto all occhio umano. In tali applicazioni la rapidità di accensione e spegnimento della sorgente luminosa a LED non serve a ridurre l uscita luminosa media, ma a sincronizzare l uscita luminosa con i tempi di acquisizione dei sensori o delle telecamere. Variazione della luminosità con un regolatore a commutazione I circuiti per il pilotaggio di LED basati su regolatori a commutazione richiedono un attenzione particolare per poter essere attivati o disattivati a una velocità dell ordine di centinaia o migliaia di volte al secondo. I regolatori progettati per alimentatori standard spesso dispongono di un pin di abilitazione o di un pin di shutdown al quale è possibile applicare un segnale PWM di livello logico, ma il ritardo associato t D è spesso abbastanza lungo. Questo perché il progetto privilegia una bassa corrente di shutdown rispetto al tempo di risposta. Le regolazioni a commutazione dedicate per il pilotaggio dei LED agiscono in modo opposto, mantenendo i loro circuiti di controllo interni attivi quando il pin di abilitazione è a livello logico basso per minimizzare t D, mentre devono sopportare una corrente di funzionamento più elevata mentre i LED sono spenti. L ottimizzazione del controllo della luce con la modulazione PWM richiede ritardi minimi in fase di slew up (per passare da 0 al valore di corrente previsto) e slew down (per l operazione opposta) non solo per ottenere un miglior rapporto di contrasto, ma anche per minimizzare il tempo richiesto dal LED per passare tra 0 e il livello previsto (dove la lunghezza d onda dominante o il CCT non sono garantiti). Mentre un regolatore a commutazione standard disporranno di funzioni di avviamento graduale (soft-start) e spesso di spegnimento graduale (soft-shutdown), i circuiti per il pilotaggio di LED dedicati svolgono qualsiasi azione entro il loro anello di controllo per ridurre queste slew rate. La riduzione di t SU e t SD coinvolge sia il progetto su silicio sia la topologia del regolatore a commutazione utilizzato. I regolatori buck garantiscono slew rate più elevati rispetto alle altre topologie a commutazione per due precise ragioni. In primo luogo, il regolatore buck è il solo convertitore a commutazione che eroga potenza all uscita mentre il commutatore di controllo è attivo. Ciò rende gli anelli di controllo dei regolatori buck con controllo PWM voltage o current mode (da non confondere con la variazione della velocità mediante PWM) più veloci rispetto al regolatore boost o alle diverse topologie buck-boost. La potenza erogata durante il tempo di on del commutatore di controllo si adatta molto facilmente al controllo isteretico, che è persino più veloce rispetto ai migliori anelli di controllo voltage o current mode. In secondo luogo, l induttore del regolatore buck è collegato all uscita 3

4 Fig. 4 Regolatore boost con commutatore DIM in serie durante l intero ciclo di commutazione. Ciò assicura una corrente di uscita continua e comporta l eliminazione del condensatore di uscita. Senza il condensatore di uscita il regolatore buck si trasforma in un generatore di corrente a elevata impedenza, in grado di garantire una rapida variazione della tensione di uscita. I convertitori Zeta e Cuk, anche se sono caratterizzati da una connessione continua dell induttore di uscita, sono penalizzati dalla ridotta velocità degli anelli di controllo (che si traduce in una minore efficienza). Più veloce del pin di abilitazione Anche un regolatore buck isteretico senza un condensatore di uscita non sarà in grado di soddisfare i requisiti di alcuni sistemi per la variazione di luminosità in modalità PWM. Queste applicazioni richiedono un elevata frequenza di variazione della luminosità PWM e un alto rapporto di contrasto, che comportano a loro volta slew rate elevati e tempi di ritardo ridotti. Oltre alla visione artificiale e all ispezione in ambito industriale, tra gli altri esempi di sistemi che richiedono elevate prestazioni si possono annoverare la retroilluminazione di pannelli LCD e applicazioni nel campo della videoproiezione. In alcuni casi la frequenza di variazione di luminosità PWM deve avere valori superiori a quella della banda audio, che arrivano a 25 khz (o anche superiori). Poiché il periodo totale della variazione di luminosità è dell ordine dei microsecondi, i tempi di salita e di discesa per la corrente dei LED, compresi i ritardi di propagazione, devono essere ridotti a pochi nanosecondi. Partendo da un regolatore buck operante a elevata velocità privo di condensatore di uscita, i ritardi associati all attivazione e alla disattivazione della corrente di uscita sono dovuti al ritardo di propagazione del circuito integrato e alle proprietà fisiche dell induttore di uscita. Per ottenere un elevata velocità di variazione della luminosità in modalità PWM è necessario adottare una metodologia che non preveda l inclusione di questi fattori, ovvero dei ritardi di propagazione e delle proprietà fisiche. Il metodo migliore è l utilizzo di un commutatore di potenza posto in parallelo alla catena dei LED, come riportato in figura 3. Per lo spegnimento dei LED, la corrente di pilotaggio viene derivata attraverso il commutatore, tipicamente realizzato tramite un MOSFET a canale N. Il circuito integrato continua a funzionare mentre la corrente dell induttore continua a fluire. Il principale svantaggio di questa tecnica è rappresentato dalla dissipazione di potenza che si verifica mentre i LED sono spenti, anche se la tensioni di uscita in questo periodo eguaglia la tensione di rilevamento della corrente. La variazione di luminosità con un FET in derivazione provoca rapidi cambiamenti nella tensione di uscita, ai quali l anello di controllo dei circuito integrato deve rispondere nel tentativo di mantenere costante la corrente di uscita. Come nel caso della variazione della luminosità con l applicazione di un livello logico al pin, più veloce è l anello di controllo, migliore sarà la risposta e ancora una volta i regolatori buck con controllo isteretico garantiscono la risposta migliore. Modulazione PWM veloce con topologie boost e buck-boost Né il regolatore boost né le varie topologie buck-boost sono adatte per la variazione della luminosità in modalità PWM. Per iniziare, in modalità CCM (Continuos Conduction Mode), tali topologie sono caratterizzate dalla presenza di uno zero nel semipiano destro, che rende difficile l ottenimento di un estesa ampiezza di banda dell anello di controllo richiesto nei regolatori temporizzati. Gli effetti nel dominio del tempo dello zero nel semipiano destro complica l utilizzo del controllo isteretico per i circuiti boost o buck-boost. Un ulteriore problema deriva dal fatto che il regolatore boost non può soppor- 4

5 tare una tensione di uscita che scende a un valore inferiore a quello della tensione di ingresso. Una condizione di questo tipo provoca un corto circuito in uscita, rendendo impossibile la variazione della luminosità con un FET parallelo. La variazione della luminosità con un FET parallelo con le topologie buckboost non è possibile, o perlomeno di difficile attuazione, a causa della presenza di un condensatore di uscita (configurazioni SEPIC, buck-boost e flyback) o dell impossibilità di controllare la corrente dell induttore d ingresso durante i corto circuiti in uscita (configurazione Cuk e Zeta). Nel caso sia necessaria una variazione della luminosità veloce in modalità PWM, la soluzione migliore è rappresentata da un sistema a due stadi che utilizza un regolatore buck come secondo stadio per il pilotaggio dei LED. Quando ragioni di spazio e di costi non permettano questo approccio, la miglior soluzione alternativa è rappresentata da un commutatore in serie, come riportato in figura 4. La corrente del LED può essere interrotta immediatamente, anche se è necessario fare alcune considerazioni circa la risposta del sistema. Questo circuito aperto è in realtà un transitorio veloce in assenza di carico che disconnette anche l anello di retroazione e provoca un aumento della tensione di uscita del regolatore senza alcuna restrizione. Per prevenire malfunzionamenti imputabili alle sovratensioni, sono richiesti circuiti di aggancio per l uscita e/o un amplificatore d errore. Questi circuiti di aggancio sono difficile da realizzare con circuiti esterni, ragion per cui la variazione di luminosità con FET in serie è attuabile solamente con integrati di pilotaggio per LED boost/buckboost dedicati. Un adeguato controllo delle luce LED richiede un attenta considerazione all inizio del processo di progettazione. Più è sofisticata la fonte luminosa, maggiore è la probabilità dell utilizzo della variazione di luminosità in modalità PWM. Per questo motivo il progettista di sistema deve considerare con attenzione la topologia del circuito per il pilotaggio dei LED. I regolatori buck sono in grado di garantire vantaggi così significativi per la variazione della luminosità PWM che il progettista di sistema deve tenere in considerazione la tensione di ingresso e la disposizione dei LED. Nel caso la frequenza di variazione della luminosità deve essere elevata o lo slew rate alto, o devono verificarsi entrambe le condizioni, una modifica nelle fasi iniziali del processo di progettazione per consentire l uso del regolatore buck sarà più semplice da realizzare. 5