La tecnologia Led si è sviluppata nel corso degli ultimi anni, ed è ora divenuta la scelta naturale per molte applicazioni, dall’illuminazione architettonica ad efficienza energetica ai display per esterni. Queste applicazioni tendono a variare considerevolmente, ognuna delle quali richiede un diverso numero, tipo, colore e configurazione di Led, il che significa che i circuiti di pilotaggio devono essere progettati specificamente per l'applicazione.
Sebbene vi sia una notevole differenza tra le diverse possibili applicazioni, alcuni requisiti sono pressoché universali: tipicamente, la luminosità e il colore dei Led in un pannello debbono essere omogenei e l’efficienza complessiva deve essere alta se si desiderano ottenere tutti i benefici derivanti dall’utilizzo di Led. Altri requisiti potrebbero non essere cosi ovvi. Prendiamo in esame l’illuminazione architettonica: nonostante le strutture da illuminare siano grandi e ci siano pochi vincoli fisici riguardo lo spazio necessario, chi osserva vuole vedere l'edificio, non l'alimentazione. Quindi le piccole dimensioni sono un criterio fondamentale nella progettazione di catene di alimentazione per sistemi di illuminazione che possano essere installati senza che risultino visibili. Quanto sopra è applicabile anche nel caso di molte altre applicazioni di pilotaggio Led, che spaziano dalla segnaletica per il trasporto, in cui il sistema deve essere il più piccolo possibile per consentire ai passeggeri di spostarsi agevolmente all’interno del treno o autobus, fino ai grandi schermi Led, che devono essere i più leggeri e sottili possibili, rendendo la densità di potenza un requisito fondamentale per molte catene di alimentazione per Led.
Molte delle applicazioni Led vengono utilizzate in esterno, richiedendo quindi un elevato livello di robustezza ed un consono range di temperature di esercizio per i componenti di potenza utilizzati. Accade però spesso che i sistemi vengano installati in posizioni poco adatte, ponendo cosi in essere altri requisiti per i progettisti. L’installazione e manutenzione di un sistema di illuminazione o di un display pubblicitario per esterni, ad esempio, spesso richiede agli installatori di arrampicarsi su edifici in varie condizioni climatiche. Queste attività sono ovviamente pericolose, rendendo l’installazione costosa sia in termini di tempo che di responsabilità. Attraverso lo sviluppo di soluzioni più piccole e leggere, e quindi più facili e rapide da installare, i progettisti possono rendere i sistemi di illuminazione più economici e sicuri da installare. L’aumento dell’affidabilità del sistema riduce le probabilità di errori, e significa che è molto meno probabile che in seguito vengano richieste riparazioni, riducendo ulteriormente la necessità di lavorare in altezza.
Due categorie di applicazioni Led
Per i progettisti di sistemi di alimentazione, le applicazioni Led ricadono tutte in due grandi categorie principali. La prima richiede che ogni Led sia controllato individualmente, per esempio in una applicazione di segnaletica digitale, dove vengono impiegati chip specializzati per il pilotaggio dei Led. La catena di alimentazione di queste applicazioni deve fornire un modo efficiente di ridurre la tensione di ingresso fino alla tensione del bus, e quindi convertendo la tensione del bus fino alla tensione di alimentazione del driver, che potrà essere 12, 5 o 3,3 V. La seconda categoria di applicazioni richiede che gli array di Led siano pilotati il più efficientemente possibile: questa include la maggior parte dei sistemi di illuminazione a Led. Tipicamente, questi sistemi hanno come requisito l’uniformare l'intensità di diversi banchi di Led e possono anche necessitare che il livello di illuminazione possa essere controllato: per esempio, una applicazione da esterno che richieda elevata luminosità in una giornata assolata, e che nel pieno della notte debba regolare l’intensità dei Led. In questa situazione, i Led possono essere sia pilotati direttamente dalla catena di alimentazione, che dai driver Led.
Aumentare la tensione di hub per aumentare l’efficienza
La maggior parte dei sistemi richiede un front end per convertire la tensione di ingresso alla tensione di hub che può essere utilizzata per distribuire alimentazione attraverso il sistema. Storicamente, i 12 V sono stati la tensione hub scelta dalla maggior parte degli ingegneri, sebbene i sistemi odierni stiano migrando verso i 24 V o 48 V, che consentono di ridurre il diametro dei conduttori e allo stesso tempo di tagliare le perdite I2R, che possono essere rilevanti per sistemi dalle dimensioni fisiche significative come nel caso di segnaletica da esterno. Componenti front-end di potenza standard soddisfano le esigenze della maggior parte delle applicazioni, convertendo un ingresso Ac o Dc nella tensione hub. La conversione al point of load, tuttavia, può risultare più difficoltosa. Elevare la tensione Hub richiede uno step-down ad rapporto un più elevato che se si utilizzasse una tensione hub più bassa. Ciò costituisce una sfida dal momento che l’efficienza di un convertitore buck convenzionale è significativamente ridotta in presenza di un un basso duty cycle. L’utilizzo di conversione a doppio stadio non è una soluzione impiegabile sebbene consenta al convertitore di lavorare ad una maggiore efficienza, poiché l’aggiungere un secondo stadio è intrinsecamente inefficiente.
Evitare gli hot spot a Led
Sotto pressione affinchè vengano ridotti i costi di produzione, e per il fatto che molte di queste applicazioni sono in luoghi dove effettuare manutenzioni alle apparecchiature può risultare difficoltoso e costoso, molti ingegneri utilizzano un singolo circuito stampato con i Led montati sul front end e l’elettronica che li pilota montata sul retro. Questo riduce i costi di produzione e dimensioni del sistema, e rende facili le riparazioni, dato che tutto ciò che deve essere fatto in caso di guasto è sfilare e sostituire la scheda. Posizionare la circuiteria di pilotaggio sul retro della scheda, tuttavia, può impattare sull’omogeneità dell’illuminazione lungo tutto il pannello. I convertitori dissiperanno calore, il che potrebbe modificare sia la lunghezza d’onda che la luminosità dei Led dato che si surriscaldano poiché i Led sono sensibili alla temperatura. Tipicamente la lunghezza d’onda aumenta di 0,1nm/°C - 0,2nm/°C a seconda del tipo di Led utilizzato; l’emissione luminosa diminuirà all’aumentare della temperatura.
L’impatto del calore dipende dalla tecnologia Led utilizzata, e dalla forma del Led. L’uscita di un Led blu potrebbe decadere di una piccola percentuale all’innalzarsi della temperatura di 50°C, ma l’uscita da un Led rosso può crollare di un 25% con un aumento di soli 25°C. In ogni caso, l’uscita di qualsiasi Led è influenzato dalla temperatura. Sia che vengano utilizzati driver, sia che i Led vengano pilotati direttamente, qualsiasi perdita di potenza nella conversione e nei circuiti di pilotaggio genereranno calore, che influenzerà il colore e l’intensità dei Led. Se ciò non venisse gestito correttamente, sarebbe possibile vedere delle aree del display o del cluster di Led con minore luminosità, cosa inaccettabile nella maggior parte delle applicazioni. Avere dei convertitori buck efficienti è quindi cruciale al fine di mantenere costante la luminosità ed il colore lungo tutto il pannello.
Controllo a corrente costante
Quando i Led non necessitano un controllo individuale, l’eliminazione dei driver aumenta l’efficienza. La catena di alimentazione, tuttavia, deve generare una corrente costante al fine di garantire che la luminosità possa essere accuratamente controllata. I convertitori buck sono abitualmente configurati perché generino una tensione costante, invece di una corrente costante. Esistono tuttavia dei nuovi componenti che offrono capacità di funzionare a corrente costante.
Un esempio di catena di alimentazione per pannelli a Led
Vista l’ampia varietà di requisiti, e i benefici derivanti dal distribuire la conversione dalla tensione hub alla sorgente di tensione o di corrente richiesta dal carico, la flessibilità offerta dai componenti di potenza (invece dell’utilizzo di una alimentazione contrale) è interessante. Consideriamo una catena di alimentazione di prestazioni elevate progettata utilizzando la Power Component Design Methodology per pilotare un grosso pannello Led che potrebbe essere utilizzato, per esempio, in una applicazione di illuminazione architettonica. La conversione da front end è realizzata da un Pfm nella tecnologia packaging Via, che offre una tensione hub di 48 V a partire da un ingresso Ac universale, in un package compatto, low-profile, e ottimizzato termicamente. Le perdite I2R sono minimizzate dall’utilizzo della più elevata tensione hub, che è quindi convertita in una corrente costante richiesta dai Led nei Buck Converter Zvs. Il PI354X di Vicor utilizza una efficiente topologia Zero Voltage Switching per generare o una sorgente di tensione o corrente costante. Il pin EAIN che normalmente viene utilizzato per controllare l’output in modalità tensione costante è mantenuto sopra il riferimento interno di 1 V, lasciando che il dispositivo venga controllato dalla tensione attraverso lo shunt che è in serie ai due Led. La caduta tensione attraverso lo shunt è di soli 100 mV, minimizzando così la potenza sprecata nel circuito di rilevamento della corrente. Le catene di alimentazione ottimizzate per pilotare Led possono essere molto semplici: in questo esempio una coppia di componenti di front end genera la tensione hub, e i Led sono pilotati con una conversione a singolo stadio a una corrente costante, e ha un funzionamento a una elevata frequenza complessiva. Concettualmente semplice, questo approccio è stato però reso possibile solo di recente, da quanto cioè sono stati introdotti componenti di potenza di elevate prestazioni con le capacità richieste.
