Pilotaggio LED: architetture, topologie e funzionalità. LUMEN Lighting Seminar 12 Maggio 2011

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1 Pilotaggio LED: architetture, topologie e funzionalità LUMEN Lighting Seminar 12 Maggio 2011

2 Maurizio Pogliani FAE - Linear Technology mpogliani@linear.com Cell.:

3 Mercato dei LED Entertainment high-end Signage, billboard, scoreboard Portable Electronic Devices Architectural Automotive, Transportation, avionica Laptop & Tablet PC

4 Il Mercato dei LED Medicale Industriale Strumentazione

5 Cosa chiede il mercato Grandi differenze di potenza: decine di mw (e.g.: backlighting) => centinaia di W (e.g.: fari frontali auto o DLP). Differenti sorgenti di alimentazione: - AC: (50/60Hz) della rete elettrica - AC: avionica (400Hz) - DC: batterie e alimentatori stabilizzati. Ampiezza delle tensioni di ingresso: - AC: Vac rete elettrica - DC: da <1V (min. tensione operativa di alcuni tipi di batterie) a 100V. La possibilità di regolare l intensità luminosa (dimming), di accendere e spegnere il dispositivo con soglie di UVLO o OVLO. La possibilità di garantire protezioni e gestire la diagnostica del sistema (sovracorrenti, sovratensioni, LED aperti, etc.) Integrazione circuitale Massimo rendimento e efficienza, cioè risparmiare energia rispetto alle soluzioni tradizionali.

6 e cosa richiede un LED per funzionare I LED, per funzionare richiedono una corrente costante, (ricordiamoci che sono dei diodi), il cui range varia da: 10mA => 5A Tipicamente i tagli di corrente più diffusi sono: 20, 50, 100mA (Low/medium power) 350, 700mA (Medium power) 1 5A (High power) L intensità luminosa dei LED è determinata dalla corrente che vi circola. Tipiche tensioni di forward dei LED, a parità di corrente: ROSSO => 1.6V 2.8V@20mA VERDE => 2.0V 4V@20mA BLU => 3V 4V@20mA BIANCO => 1.6V 2.8V@20mA

7 Pilotaggio dei LED Principale obiettivo di progetto è mantenere costante la corrente di forward nel diodo. ILED ILED VIN RSET IIN VLED VLED La corrente è facilmente settabile con una resistenza Solo per tensione fissa Vin Non c è compensazione in temperatura Dissipazione di potenza maggiore dovuta alla resistenza RSET La Corrente è settabile con alta accuratezza Il rendimento può essere elevato e ottimizzato (Linear Regulator vs. DC/DC converter) Il progetto è semplicissimo. uindi riassumendo, per pilotare uno o più LED, serve un generatore di corrente. Parlando di elevati rendimenti e prestazioni, sarà certamente un Linear 2011 regolatore switching, con controllo a corrente costante, detto Technology LED DRIVER.

8 Pilotaggio dei LED Solitamente non si deve pilotare un solo LED, ma una stringa. LED in serie: - corrente costante uniforme sul singolo ramo - tensioni elevate sul carico Basse Vin, elevate Vout: elevato duty-cycle (legato al rapporto tra Vin, Vout e fsw). LED in parallelo: 2V to 4.8V - basse tensioni di uscita, ma il matching di corrente nei diversi rami non è semplicissimo 50mA e spesso è dispendioso : * aggiunta di componenti passivi (non compensati in temperatura) P = R*I2 * aumento della dissipazione e diminuzione PLED = 10mA*2V (typ) * 5 = 100mW del rendimento totale. P = 100Ω*10mA 2* 5 = 50mW P = 150mW (50% +) Rballast 18 LED!!! tot

9 Pilotaggio dei LED Principali topologie di LED driver

10 Synchronous Buck Topology Driver VIN > VLED ; Low side current feedback LED Return to GND LED Return to GND Isw 1.2 * ILED Voltage feedback loop Protezione contro Open LED

11 Multi Topology Driver Boost converter: VIN < VLED ; High side current feedback Vin = 12V Voltage feedback loop LED Return to GND I SW V I LED LED η VIN, MIN I SW V mA 1 3.5A V

12 Multi Topology Driver Buck Mode: VIN > VLED with Low Side SW VIN for IC fed from low voltage source LEDs are floating IC (VSW, ISENSE) must be rated for VIN I SW 1.2 I LED

13 Multi Topology Driver Buck-Boost mode: Vin > VLED < Vin One inductor Buck-boost mode circuit LED Return to VIN IC(VSW) must be rated for VIN + VLED I SW VLED I LED η VIN, MIN I LED ISENSE & PWM-dimming switch in High-Side Open LED protection needed!

14 Multi Topology Driver SEPIC: Vin > VLED < Vin SEPIC circuit Due induttori o un induttore accoppiato LED Return to GND IC(VSW) must be rated for VIN + VLED I SW VLED I LED η VIN, MIN

15 Buck-Boost Topology Driver Vin > VLED < Vin 97% Efficient 50W Automotive LED Headlamp Driver 4 switch buck-boost LED driver

16 Offline Topology Driver AC input with Active PFC LT3799 active PFC PFC = Up to 100W+ No Opto-isolator loop

17 Dimming

18 Dimming Analogico vs. PWM VADJ = VREF ILED = ILED NOM R1 & R2 sono divisori lineari per ILED Il rapporto di dimming è tipicamente non superiore a 10:1 per mantenere l integrità cromatica del LED. DAC Rapporto di dimming 3000:1 PWM dimming control interno PMOS permette turn-off veloci ILED 3% PWM Duty 50% PWM Duty 97% PWM Duty Dimming analogico e PWM possono essere combinati per raggiungere rapporti di dimming più elevati.

19 Parallelare Stringhe di LED

20 Current Matching Methods Creare un ballaster con degli specchi di corrente (limiti in corrente ed efficienza) Usare un ballaster esterno (i.e.: LT3003) Usare LED driver a canale multiplo, i.e. LT3476, LT3496, etc. Usare LED driver con un singolo controllore di potenza più un ballaster integrato, i.e. LT3598, LT3599 etc.

21 Triple LED Drivers (LT3496) 3 sets of components PMOS disconnect Excellent current matching Independent control of each channel Drive different number and/or color of LEDs Use low voltage to reduce losses

22 Other Current Matching Methods Ballast resistor Current Matching IC LT mA max per channel Cost effective Higher loss at all time Good current matching High efficiency

23 6-Channel LED Driver (LT3598) Single boost circuit Internal 6-string ballaster Excellent current matching One converter carries all current

24 Conclusioni Ormai con i LED è possibile creare qualsiasi applicazione che ne richieda il loro impiego il limite è dettato spesso dall utilizzatore finale